Análisis del Procesamiento Térmico Aplicando el Método de Ball a una Bebida con Leche, Lulo y Quinua (PDF)

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA MAESTRÍA EN PROCESAMIENTO Y CONSERVACION DE ALIMENTOS “TRABAJO DE TITULACIÓN ESPECIAL” PARA LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE MAGISTER EN PROCESAMIENTO Y CONSERVACION DE ALIMENTOS “ANALISIS DEL PROCESAMIENTO...

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA MAESTRÍA EN PROCESAMIENTO Y CONSERVACION DE ALIMENTOS “TRABAJO DE TITULACIÓN ESPECIAL” PARA LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE MAGISTER EN PROCESAMIENTO Y CONSERVACION DE ALIMENTOS “ANALISIS DEL PROCESAMIENTO TERMICO APLICANDO EL METODO DE BALL A UNA BEBIDA CON LECHE, LULO Y QUINUA” AUTOR: FREDDY LEONARDO PAZMIÑO BARCIA TUTOR: CARMEN LLERENA RAMIREZ. GUAYAQUIL – ECUADOR OCTUBRE 2016 i  REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA FICHA DE REGISTRO DE TRABAJO DE TITULACIÓN ESPECIAL TÍTULO“ ANALISIS DEL PROCESAMIENTO TERMICO APLICANDO EL METODO DE BALL A UNA BEBIDA DE LECHE , LULO Y QUINUA ” REVISORES: INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil FACULTAD: Ingeniería Química CARRERA: Maestría en Procesamiento y Conservación de Alimentos FECHA DE PUBLICACIÓN: N° DE PÁGS.: ÁREA TEMÁTICA: Alimentos PALABRAS CLAVES: Ball, Linealización, Esterilización. RESUMEN: Una bebida con leche , lulo y quinua al ser un producto que combina materias primas de nuestro país y que a la vez que presenta ciertos peligros biológicos, es de nuestro interés poder desarrollar el método de elaboración a nivel de la industria Ecuatoriana que aplique un método de procesamiento térmico al producto que asegure la inocuidad y estabilidad del producto.Se ha propuesto un proceso térmico programado en un Autoclave de tipo continuo con el fin de poder destruir microorganismos viables como Clostridium Sporogenes PA 3679 asi como las esporas del Lactobacillus Sterothermophilus a lo cual para su comprobación y análisis de la efectividad del tratamiento se realizó un Estudio de campo mediante la utilización de termocuplas tipo Dataloggers las cuales se colocaron en el centro geométrico de los envases con el producto de interés en varias réplicas de Ciclos de Esterilización a condiciones de 122°C , en donde luego se dio tratamiento matemático a estos datos de penetración de Calor usando como herramienta el cálculo reconocido de Método de Ball determinando así si el proceso programado propuesto en suficientemente capaz. Una vez que se determinó la suficiencia del proceso térmico se procedió a realizar simulaciones a diferentes temperaturas iniciales para poder comparar el Método de Ball aplicado con cálculos de Linealización versus cálculos obtenidos en un Software comercial y determinar si ambos tiempos de proceso obtenidos no difieren estadísticamente aplicando pruebas paramétricas de comparación de medias, finalmente documentando los factores críticos de interés relacionados con el producto, equipo de proceso y envases dando como resultado un Plan de control para este proceso de Esterilización. N° DE REGISTRO(en base de datos): N° DE CLASIFICACIÓN: Nº DIRECCIÓN URL (tesis en la web): ADJUNTO PDF SI NO CONTACTO CON AUTOR: Teléfono: E-mail: 0980377210 [email protected] CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN Nombre: Teléfono: ii  CERTIFICACIÓN DEL TUTOR En mi calidad de tutor del estudiante Freddy Leonardo Pazmiño Barcia , del Programa de Maestría/Especialidad Procesamiento y Conservación de Alimentos nombrado por el Decano de la Facultad de Ingeniería Química CERTIFICO: que el estudio de caso del examen complexivo titulado “Análisis del Procesamiento Térmico aplicando el Método de Ball a una Bebida con Leche , Lulo y Quinua en opción al grado académico de Magíster (Especialista) en Procesamiento y Conservación de Alimentos , cumple con los requisitos académicos, científicos y formales que establece el Reglamento aprobado para tal efecto. Atentamente Ing. Carmen Llerena Ramírez Msc. TUTOR Guayaquil, 10 de Octubre de 2016 iii DEDICATORIA La dedicatoria es a mis padres, hermanos y aquellos compañeros que me han alentado a cada día afrontar nuevos retos. iv AGRADECIMIENTO Agradezco a la Compañía Industrias Lácteas Toni, quienes a través de su Staff me han brindado las capacitaciones necesarias para poder tener el conocimiento requerido y necesario para poder desarrollar esta investigación en el campo de los procesos térmicos. Agradezco de manera muy especial a la Ing. Carmen Llerena coordinadora del programa de maestrías por todas las facilidades brindadas para el desempeño de esta tesis. v  DECLARACIÓN EXPRESA “La responsabilidad del contenido de este trabajo de titulación especial, me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL” ___________________________ FIRMA Ing. Freddy Leonardo Pazmiño Barcia vi  ABREVIATURAS FDA: Food and Drugs Administration (Administración de Drogas y Alimentos CFR: Code Federal Rules (Código de Reglas Federales) INEN: Instituto Ecuatoriano de Normalización D: Es la combinación entre el tiempo y temperatura para llevar a cabo una reducción del 90% de los microorganismos de descomposición. Fo: tiempo en minutos para destruir un tipo de microorganismos a 121.1°C y una z de 10 ° C, el Fo objetivo para productos bajo Ácidos que contienen leche es Mínimo de 6.0 Z: Pendiente de la curva de tiempo de muerte térmica en °C Fi= Numero de minutos a la temperatura del autoclave equivalente a 1 minuto a 121.1°C fH: Es la pendiente de la curva de penetración de calor en la etapa de calentamiento correspondiente a un ciclo logarítmico expresada en minutos. jH: factor de calentamiento adimensional que relaciona la temperatura inicial, la temperatura del cero corregido y la temperatura del autoclave en la curva de calentamiento de penetración de calor. Bb: tiempo de proceso calculado por el método de Ball. RT: Temperatura del autoclave IT: Temperatura inicial del producto PCC: Punto crítico de control. vii  Tabla de contenido Introducción...................................................................................................................... 1 Delimitación del problema:.............................................................................................. 2 Formulación del problema:............................................................................................... 2 Justificación:..................................................................................................................... 2 Objeto de estudio:............................................................................................................. 3 Campo de acción o de investigación:............................................................................... 4 Objetivo general:.............................................................................................................. 4 Objetivos específicos:....................................................................................................... 4 La novedad científica:...................................................................................................... 4 Capítulo 1......................................................................................................................... 5 MARCO TEÓRICO......................................................................................................... 5 1.1 Teorías generales.................................................................................................... 5 1.2 Teorías sustantivas.................................................................................................. 9 Tratamiento térmico en alimentos de baja acidez..................................................... 9 Resistencia térmica de los microorganismos.......................................................... 11 1.3 Referentes empíricos............................................................................................. 13 1.3.1 Experiencias de Procesos de Tratamiento Térmico........................................... 14 1.3.2 Experiencias con Optimización de Procesos Térmicos..................................... 14 Capítulo 2....................................................................................................................... 15 MARCO METODOLOGICO........................................................................................ 15 2.1 Metodología.............................................................................................................. 15 2.2 Métodos................................................................................................................. 16 2.2.1 Métodos Teóricos............................................................................................... 16 2.3 Premisas o Hipótesis............................................................................................. 21 2.4 Universo y muestra............................................................................................... 21 2.5 CDIU – Operacionalización de variables............................................................. 22 2.6 Gestión de datos.................................................................................................... 23 2.7 Criterios éticos de la investigación....................................................................... 23 Capítulo 3.................................................................................................................... 24 RESULTADOS.............................................................................................................. 24 3.1 Antecedentes de la unidad de análisis o población............................................... 24 3.2 Diagnostico o estudio de campo:.......................................................................... 25 3.2.1 Formulación del Producto.................................................................................. 25 viii  3.2.2 Método de Producción y Especificaciones Físico Químicas del producto........ 28 3.2.3 Peso Neto, Espacio de Cabeza.......................................................................... 31 3.2.4 Condiciones operacionales del proceso Térmico a aplicar................................ 31 3.3 Conducción de Estudio de Penetración de Calor usando el Método de Ball........ 32 3.3.1 Información del Autoclave:............................................................................... 32 3.3.2 Producto de Estudio........................................................................................... 32 3.3.3 Tipo de Envase y Tipo....................................................................................... 33 3.3.4 Dataloggers de temperatura usados en el producto............................................ 33 3.3.5 Localización de los Dataloggers dentro de los envases al realizar la prueba.... 33 3.3.6 Resultados de Cálculo de Método de Ball......................................................... 35 3.3.7 Resultados de la Colección de Datos en la termocupla 63703 que obtuvo menor Fo según los resultados de Software Qlever............................................................... 36 3.3.8 Resultados Ajustados en base a Linealización de Datos................................... 38 3.3.9 Comparación de Resultados............................................................................... 41 3.3.10 Análisis Estadístico.......................................................................................... 43 Capítulo 4....................................................................................................................... 44 Discusión........................................................................................................................ 44 4.1 Contrastación empírica:........................................................................................ 44 4.2 Limitaciones:......................................................................................................... 46 4.3 Líneas de investigación:........................................................................................ 47 4.4 Aspectos relevantes:.............................................................................................. 47 Capítulo 5....................................................................................................................... 47 PROPUESTA................................................................................................................. 48 5.1 Plan de Control de Factores Críticos durante Procesos de Esterilización en Autoclaves Continuos................................................................................................. 49 Conclusiones................................................................................................................... 50 Recomendaciones....................................................................................................... 52 Bibliografía..................................................................................................................... 53 Anexos............................................................................................................................ 56 ix  ÍNDICE DE TABLAS Tabla N°1 Valor Nutritivo de Alimentos por cada 100 gramos de porción comestible……………………………………………………………………………….7 Tabla N°2 Procesos típicos de Pasteurización……………………………………………8 Tabla N°3 Composición Porcentual del producto “Bebida con leche, lulo y Quinua……………………………………………………………………………..…...26 TablaN°4 Nutrientes a declararse y su Valor Diario Recomendado………………………………………………………………………......27 Tabla N°5 Factores de Cálculos de Energía (Macronutrientes)…………………………27 Tabla N° 6 Información Nutricional del Producto………………………………………28 Tabla N°7 Calculo Estimado de Semaforización del Producto………………………….29 Tabla N°8 Especificaciones Físico Químicas y Microbiológicas del Producto…………31 Tabla N°9 Tratamiento Programado del Producto……………………………………...32 Tabla N° 10 Detalle de Señales de Control del Sistema…………………………………33 Tabla N° 11 Datos de Penetración de Calor para Construcción de Grafica en la etapa de Calentamiento…………………………………………………………………………..36 Tabla N°12 Datos linealizados para obtener 1 ciclo logarítmico en Curva de Calentamiento…………………………………………………………………………..38 Tabla N°13 Calculo de Bb a diferentes IT y TR………………………………………..40 x Tabla N°14 Resultados con Software Calsoft…………………………………………...41 Tabla N°15 Resultados de Método de Linealización……………………………………41 Tabla N°16 Resultados comparativos de tiempos de procesos Calculados…………….42 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Grafica de inactivación microbiana sujeta a una temperatura constante de letalidad…………………………………………………….…………………………..11 Figura 2: Curva de resistencia térmica donde se muestra la dependencia de la temperatura sobre el valor D…………………………………………………………………………12 Figura 3: Perfil típico de temperatura vs Tiempo en alimentos esterilizados en autoclaves de vapor estacionarios…………………………………………………………………..17 Figura N°4 Ubicación del Sensor dentro del Recipiente……………………………….33 Figura N°5 Ubicación de Dataloggers ubicados en los recipientes dentro de los tubos…………………………………………………………………………………….34 Figura N°6 Resultados de Fo obtenido en Software Qlever por el Metodo General…34 Figura N° 7 Grafica Obtenida a partir de Datos para Estimación de fH………………37 xi xii Análisis de Procesamiento térmico aplicando el Método de Ball a una Bebida con Leche, Lulo y Quinua Resumen: Una bebida con leche lulo y quinua al ser un producto que combina materias primas de nuestro país y que a la vez que presenta ciertos peligros biológicos, es de nuestro interés poder desarrollar el método de elaboración a nivel de la industria Ecuatoriana que aplique un método de procesamiento térmico al producto que asegure la inocuidad y estabilidad del producto. Se ha propuesto un proceso térmico programado en un Autoclave de tipo continuo con el fin de poder destruir microorganismos viables como Clostridium Sporogenes PA 3679 así como las esporas del Lactobacillus Sterothermophilus a lo cual para su comprobación y análisis de la efectividad del tratamiento se realizó un Estudio de campo mediante la utilización de termocuplas tipo Dataloggers las cuales se colocaron en el centro geométrico de los envases con el producto de interés en varias réplicas de Ciclos de Esterilización a condiciones de 122°C , en donde luego se dio tratamiento matemático a estos datos de penetración de Calor usando como herramienta el cálculo reconocido de Método de Ball determinando así si el proceso programado propuesto en suficientemente capaz. Una vez que se determinó la suficiencia del proceso térmico se procedió a realizar simulaciones a diferentes temperaturas iniciales para poder comparar el Método de Ball aplicado con cálculos de Linealización versus cálculos obtenidos en un Software comercial y determinar si ambos tiempos de proceso obtenidos no difieren estadísticamente aplicando pruebas paramétricas de comparación de medias, finalmente documentando los factores críticos de interés relacionados con el producto, equipo de proceso y envases dando como resultado un Plan de control para este proceso de Esterilización. Palabras Clave: Ball, Linealización, Esterilización  Analysis of Thermal Processing applyng Ball Method Formula in a Dairy Drink with Lulo and Quinoa Summary: A Dairy drink with quinoa and lulo is a product that combines raw materials of our country and at the same time presents certain biohazards, so is very important to develop the method of preparation for Ecuadorian industry applying a thermal processing Method of Sterelization to ensure product safety and product stability. It has proposed a thermal process programmed in a continuous retort in order to destroy viable microorganisms such as Clostridium Sporogenes PA 3679 as well as the spores of Lactobacillus sterothermophilus to which for testing and analysis of the effectiveness of treatment. A field study was conducted using thermocouples type Dataloggers which were placed at the geometric center of the packaging with the product of interest in several replicas of cycles of Sterelization in conditions of 122 ° C, where after mathematical treatment was given to these data Heat penetration using the recognized Ball method for the Calculation of Heat Penetration determining whether the process proposed scheduled capable enough. Once the adequacy of the thermal process was determined proceeded to perform simulations at different initial temperatures to compare the method Ball applied calculations linearization versus calculations obtained in a commercial software and determine whether both processing times obtained do not differ statistically applying parametric tests for comparison of means, finally documenting the critical factors of interest related to the product, packaging and process equipment resulting in a control plan for this sterilization process. Keywords: Ball, linearization, Sterelization.  Introducción La industria alimentaria utiliza métodos de procesamiento térmico dependiendo el tipo de producto y envase a comercializar, así como la vida útil en percha que requiera obtener. En este estudio se va a analizar exclusivamente el procesamiento térmico en un autoclave de agitación continua el cual tiene un interés muy importante desde el punto de vista de asegurar la inocuidad en los productos elaborados que dependerá de la formulación del producto, así como de las esporas del microorganismo de referencia dependiendo del tipo de alimento y la letalidad térmica. La bebida láctea con quinua y lulo debido a su composición y sus análisis físico químicos (pH de 5.4) está dentro de la categoría de (producto baja acidez) (FDA CFR 21 Parte 113, 2016)por lo que es necesario aplicar todos los criterios de control tanto en los equipos, así como en la elaboración del producto. El método de cálculo de procesamiento térmico utilizado en este estudio se basa en el uso de las formulas del método de Ball el cual es el método más utilizado por la industria alimentaria (Teixeira, 2012) el cual consiste en el análisis matemático de los datos colectados a través de termocuplas ubicadas en el punto más frio del producto. A lo cual se requiere de un mínimo de 10 en diferentes zonas del proceso para determinar la más difícil en alcanzar las temperaturas (Technical, 2015) y en base a estos realizar todos los cálculos necesarios para determinar el tiempo de procesamiento térmico a la temperatura del proceso seleccionada y la simulación a diferentes temperaturas iniciales de producto para definir un plan de correcciones en caso de ser necesario. 1  Al desarrollar este proceso en un autoclave de agitación continua (Hydrolock) es importante considerar los criterios técnicos que se aplican con el fin de poder tener cálculos confiables los cuales pueden ser comparables con un software de uso comercial, así como por métodos estadísticos reconocidos como la prueba de t Student. Delimitación del problema: El cálculo de procesamiento térmico para una bebida que contiene leche y otros ingredientes como quinua y lulo implica aplicar procesos térmicos donde los factores críticos sean debidamente controlados. Se ha demostrado que problemas en la distribución de calor de un autoclave, falta de estándares de control en la industria que involucren el mal sellado de un envase, llenado no controlado o no calibración de instrumentos de control pueden generar problemas graves de salud pública. Es de interés científico demostrar a través de la ciencia y cálculos técnicos y métodos de control aplicados que se puede elaborar un producto comercialmente estéril y seguro que cumpla los requisitos normativos inclusive para ser exportado en diferentes países. Formulación del problema: ¿Cuál es el tiempo (Bb) de procesamiento térmico programado en la zona de esterilización de un autoclave de agitación continua que asegure la esterilidad comercial del producto formulado bebida láctea con lulo y quinua? ¿Cuáles son los factores críticos que afectan en el procesamiento térmico de este producto considerando que este proceso se realizara en un sistema nuevo de retorta continúa con agitación? Justificación: Una bebida Láctea con Lulo y Quinua al tener un pH por encima de 4.6 (M.Dignan, 2007)está dentro de la categoría de productos de baja acidez, lo cual implica aplicar un 2 método de Conservación de Alimentos que asegure su no deterioro en el tiempo dependiendo del tipo de envase en donde se vaya a almacenar. En este caso se ha decidido utilizar el envase de Polietileno de Alta densidad tapado con foil de aluminio termosellado y su envasamiento en una llenadora Volumétrica no aséptica, es necesario aplicar la suficiente cantidad de calor que mediante cálculos térmicos que aseguren la inocuidad del producto y se pueden destruir los microorganismo de interés tanto patógenos como los que favorecen la putrefacción. Si bien es cierto existen diferentes métodos ampliamente utilizados en la industria para realizar cálculos de penetración de Calor, se decide utilizar el Método de Ball, ya que a diferencia de otros, este método solo considera la letalidad en la curva de calentamiento del producto, descartando el aporte de letalidad en la etapa de enfriamiento ya que esta puede tener más variabilidad dependiente de la temperatura de agua de enfriamiento. Esta evaluación permite determinar si el proceso programado del sistema de esterilización en un autoclave continuo de agitación es capaz de soportar un Fo de 6 (Technical, 2015), sin afectar la calidad nutricional. Para lo cual el tiempo que determine la fórmula de Ball debe ser menor a este y así garantizar la calidad del alimento. Objeto de estudio: La bebida láctea con quinua y lulo al ser considerado un productos de baja acidez deben cumplir con los requisitos en base a la normativa FDA 21.CFR Parte 113 (productos de baja acidez envasados en forma hermética), por lo tanto se realizara el análisis del tratamiento térmico aplicado al producto en estudio. 3  Campo de acción o de investigación: El campo de acción corresponde al estudio de penetración de calor utilizando el método de Ball a un producto de baja acidez en el cual se determinará su tiempo de proceso térmico a una temperatura de esterilización de 122°C. Objetivo general: Análisis del procesamiento térmico que asegure la esterilidad comercial aplicando el método de Ball a una Bebida de Leche con Lulo y Quinua. Objetivos específicos: 1.- Determinar los factores críticos en el proceso de esterilización para asegurar la esterilidad comercial del producto en estudio. 2.- Determinar el tiempo de proceso óptimo para la elaboración de este producto empleando un autoclave continúo y de agitación según el cálculo de Ball. 3.- Comparar los resultados obtenidos por el Método de Ball con la aplicación del Software CALSOFT para determinar si existe diferencia significativa entre las metodologías de cálculo. La novedad científica: El presente trabajo aporta con información específica de colección de datos del proceso de esterilización comercial de una bebida láctea con lulo y quinua empleando termocuplas PicoVacq tipo Data Logger TMI Orión en una autoclave de agitación continua para el modelamiento del proceso térmico usando el método de Ball comparando el software CALSOFT vs el método gráfico aplicado regresión lineal. 4  Capítulo 1 MARCO TEÓRICO El presente trabajo se concentra principalmente en establecer los valores requeridos en minutos para un eficiente tratamiento térmico de una bebida láctea de lulo y quinua en un envase herméticamente sellado empleando el método de Ball para garantizar su inocuidad, composición nutricional mediante pruebas y ensayos microbiológicos y de control de calidad del producto para su posterior salida al mercado. A continuación, se detallan las teorías generales y sustantivas en las cuales se fundamenta. 1.1 Teorías generales Los productos sellados herméticamente elaborados en la industria alimentaria son sometidos a procesos térmicos de esterilización con el propósito de eliminar cualquier sustancia, bacter ia u organismo patógeno que ponga en peligro la salud del consumidor y asimismo extender su tiempo de vida útil. Materia Prima Las bebidas lácteas generalmente incluyen en su formulación ingredientes que posean un contenido nutricional significativo, en este estudio nuestros ingredientes principales son la leche de vaca, el lulo “naranjilla” (Solanum quitoense) y la quinua (Chenopodium quinua) y como ingredientes secundarios los estabilizantes, aditivos y preservantes naturales y/o artificiales. 5  Todos estos ingredientes deben cumplir con los requisitos exigidos en las fichas técnicas respectivas a cada a alimento. (Ver anexo 1 al 9) Leche: La leche según (Badui, 2010) es el líquido segregado a través de las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos, es de suma importancia su valor nutritivo, siendo así un alimento balanceado, su composición típica es de 79% de agua, 10% de proteínas, 4% de grasa, 3 % de lactosa. Además la leche procesada térmicamente se debe ajustar a la normativa ecuatoriana para evitar su adulteración, bajo esta terminología de la norma de referencia nuestra materia prima es Leche Pasteurizada Entera (INEN 10, 2012). Lulo (Solanum Quitoense) El lulo o naranjilla es una fruta no tradicional de gran importancia económica en la cordillera y la Amazonía ecuatoriana. Muy apetecida debido a sus características físicas, químicas y organolépticas que le brindan calidad para su consumo. Según (Silva, 2016) la pulpa es aromática, de sabor agridulce y con un alto contenido de vitaminas A, C, B1, B2, proteínas y minerales. La composición física, química y calidad organoléptica de la naranjilla (alrededor de 6° Brix y acidez menor de 3%) indican que es adecuada para su consumo en fresco o procesada utilizándose en la elaboración de jugos, néctares, mermeladas, jaleas, postres y cocteles. Quinua (Chenopodium Quinua) A nivel mundial es valorada como el único alimento de origen vegetal que posee todos los aminoácidos esenciales, oligoelementos, vitaminas, además no contiene gluten. Este producto es una gran fuente de calcio, hierro y vitamina B. 6  En el Ecuador se produce tradicionalmente en la región Sierra, tanto por las condiciones agroecológicas, como por la importancia de este grano en los sistemas de producción andina. La provincia del Carchi se caracteriza por ser la que produce mayor cantidad de quinua en el país, seguida de la provincia de Imbabura y de Chimborazo. (Analisis Sensorial QUINUA, 2015). Tabla N° 1 Valor Nutritivo de Alimentos por cada 100 gramos de porción comestible Fuente: (Hammerly, 1976) Bebida Láctea de Lulo y Quinua Los productos elaborados a base de leche son de los más demandados a nivel mundial debido a su sabor y gran aporte nutricional en el organismo. Si a esto se suma que en el sector industrial la producción es masiva, puede añadirle diferentes sabores y nutrientes en su procesamiento, es de los más producidos a nivel mundial. Es por eso según (Gomez & Vicente, 1996) que todas las industrias lácteas garantizan su comercialización de manera que antes de que sean liberados para su distribución y consumo realizan los análisis y estudios de controles de calidad existentes para determinar su inocuidad en las condiciones adecuadas y en base a esos resultados verificar que el proceso a la que es sometido es eficiente. 7  Debido a la gran relevancia que hoy en día tiene la conservación de los alimentos se recurre al proceso de esterilización en equipos de gran capacidad como lo son los autoclaves de agitación continua debido a su gran eficiencia en la eliminación de bacterias mediante la penetración de calor por circulación de vapor a presión en un periodo de tiempo acorde a varios criterios que se toman en cuenta tanto físicos como biológicos tales como el tipo de alimento, el volumen, la temperatura inicial del equipo y el ambiente entre otros elementos físicos y de los biológicos como son la temperatura de muerte de las bacterias y organismos patógenos y los componentes organolépticos del alimento. Es de indicar que estos productos tienen pre tratamientos térmicos como la Past Alimentos Propósito Proceso Típico euriz Inactivación de enzimas ació Jugo de Fruta (poligalacturonasa y 88 °C para 15 segundos pectinesterasa) n, Destrucción de patógenos: sin Brucella abortus, Leche 71.5°C para 15 segundos Mycobacterium emb tuberculosis, Coxiella argo estos no aseguran la esterilidad comercial del producto para que sea un producto larga vida. Tabla N°2 Procesos Típicos de Pasteurización 8  burnetti Fuente: (Taylor, 2006) Factores a Considerar durante el tratamiento Térmico. Factores del producto: Formulación de producto, llenado, % de sólidos, Métodos de preparación (formulación), pH, Densidad, Viscosidad. Factores de los envases: Tipo de envase, dimensiones, espacio de cabeza. Factores del Sellado y Llenado: Temperatura de llenado, manejo de envases para mantener la integridad de los mismos. Factores del Autoclave: Tipo de medio de calentamiento (vapor), tiempo de come-up time, Velocidad de la Cadena, N° de envases x tubo, Cantidad de envases en la zona de Esterilización. 1.2 Teorías sustantivas Tratamiento térmico en alimentos de baja acidez El método Ball hace uso directo de la historia de tiempo-temperatura en el punto más frío dentro de un recipiente de alimentos sellados para obtener el valor de letalidad de un proceso térmico. En principio se tiene el hecho de que la diferencia entre la retorta y la temperatura del punto frío del decaer exponencialmente en el tiempo de proceso después de 9 un período de retraso inicial. Por lo tanto así como indica (Teixera & Miranda, 2012) una representación semilogaritmica de esta diferencia de temperatura con el tiempo (más allá del lag inicial) aparece como una línea recta que se puede describir matemáticamente por una fórmula simple, y está relacionado con los requisitos de letalidad por un conjunto de tablas que debe utilizarse conjuntamente con la fórmula. De los varios puntos de control existentes en una línea de proceso de enlatado de los alimentos poco ácidos, el tratamiento térmico es el más crítico, por lo cual los sistemas de calidad enfocados a la inocuidad lo consideran PCC. Para (M.Dignan, 2007) el crecimiento y las actividades de los microorganismos anaerobios se debe principalmente al pH del medio de la rodea. Desde el punto de vista del procesamiento térmico los alimentos se dividen en tres grupos: los altamente ácidos (pH < 3.7), los medianamente ácidos (3.7 < pH < 4.6) y los alimentos de baja acidez (pH > 4.6. El mismo autor señala que la resistencia de los microorganismos disminuye con los valores extremos de pH por lo que la mayoría de los alimentos ácidos no requieren de procesos térmicos prolongados para alcanzar la estabilidad microbiológica , en los alimentos de baja acidez que son sometidos a esterilización comercial, se tiene como objetivos del envasado hermético la búsqueda de prevenir la contaminación del producto y alcanzar niveles de oxígeno bajo dentro de los envases, lo que evita la corrosión interna del mismo, cambios oxidativos en ciertos componentes pero principalmente inhibe el crecimiento de los microorganismos aerobios; las esporas de estos microorganismos son poco resistentes al calor por lo que el tratamiento térmico está dirigido primordialmente a la eliminación de 10 anaerobios facultativos y sus esporas, además de la inactivación de enzimas que afecten la calidad del producto final. Resistencia térmica de los microorganismos La inactividad microbiana pone de manifiesto una cinética de primer orden la cual depende de la temperatura del medio y el tiempo de aplicación para destruir los microorganismos presentes en el alimento, el tratamiento térmico se ve influenciado negativamente por factores críticos que se deben tener en cuenta para establecer los procesos térmicos adecuados. El microrganismo de estudio seleccionado es el Clostridium sporogenes PA 3679 el cual es muy similar que el Clostridium Botulinun, como lo indica (L.Brown, 2012) es un microorganismo anaerobio de la putrefacción utilizado como indicador de comprobación de Esterilidad comercial reduciendo el riesgo de deterioro de los alimentos, el cual se desarrolla en medios con pH de 5 a 7. Para esta evaluación se deben considerar principalmente dos factores característicos de la resistencia térmica (por tipo de microorganismo predominante) el primero es conocido como tiempo de reducción decimal o valor D y es “el tiempo necesario para erradicar el 90% de la población inicial del microrganismo definido”. Este valor se obtiene considerando el número de sobrevivientes en un contaje microbiano específico luego de la exposición a la temperatura de estudio por un tiempo predeterminado. 11  Figura 1: Grafica de inactivación microbiana sujeta a una temperatura constante de letalidad Fuente: (Teixera & Miranda, 2012) Para (Teixera & Miranda, 2012) el valor D es dependiente de la variación de la temperatura del medio, esto quiere decir que a una mayor temperatura del medio se obtendrán menores tiempos de reducción decimal, la gráfica a escala logarítmica de los distintos valores de D sobre su correspondiente temperatura es conocida como curva de resistencia térmico o curva TDT, que se utiliza para calcular la constante de muerte térmica del microorganismo o valor Z, que es el segundo factor característico de la termo resistencia microbiana y se define como el rango de temperatura necesario para incrementar o disminuir en diez veces el valor de destrucción térmica. Se derivan dos importantes conclusiones a partir de la relación logarítmica asociada a la inactividad microbiana, la primera se refiere a que mientras más reducida sea la carga microbiana inicial del producto se necesitara de un menor tiempo de calentamiento para alcanzar la destrucción microbiana requerida, esto es primordial ya que determina que un 12 tratamiento térmico adecuado puede ser insuficiente si la carga microbiana inicial en el producto es muy alta por lo que se debe tener un cuidado especial en minimizar la contaminación del producto en las etapas previas al procesamiento térmico. El segundo concepto se refiere que la población microbiana presente en el producto nunca podrá eliminarse completamente, esto se denomina “probabilidad de supervivencia” y es importante para definir la extensión del proceso térmico. Figura 2: Curva de resistencia térmica donde se muestra la dependencia de la temperatura sobre el valor D Fuente: (Teixera & Miranda, 2012) 1.3 Referentes empíricos Dentro de la Industria Alimentaria Ecuatoriana. Los productos herméticamente sellados, son sometidos a diversos procesos de tratamiento térmico con el enfoque de 13 esterilizar el producto de forma continua eliminando cualquier microorganismo patógeno y conservando sus aportes nutricionales. 1.3.1 Experiencias de Procesos de Tratamiento Térmico En el trabajo de (Yepez Arcentales, 2001) se realizaron “Factores que modifican la preservación del atún enlatado comercialmente” en el cual su proceso térmico diseñado para la eliminación de los microorganismos, se ha cumplido conforme fue establecido durante el establecimiento del mismo; de acuerdo a las evaluaciones sensoriales y microbiológicas del grupo de muestras, y la confirmación por medio de la revisión de las cartillas de registro del proceso en las cuales quedan registrados el cumplimiento de los parámetros determinados para el tratamiento térmico establecido para la eliminación de microorganismos del alimento. 1.3.2 Experiencias con Optimización de Procesos Térmicos. El estudio “Diseño y optimización del tratamiento térmico para sopa de frejoles enlata en envases de formato A6” de (Tamayo Cabezas, 2008) se realizaron pruebas experimentales desarrolladas en el estudio de penetración de calor y establecieron que durante el calentamiento del producto predomina la convección como mecanismo de trasferencia de calor y que en el eje axial del envase con formato A6 a 55 centímetros de altura, se ubica el punto “critico” del producto y que en una prueba de penetración de calor confirmatoria efectuada empleando una combinación de tiempo de proceso- temperatura de calentamiento obtenida aplicando el método predictivo de Tumbo y aplicando el método general para calcular el valor de la letalidad de proceso (Fo) se alcanzó la letalidad mínima predefinida (Fo mayor o igual a 6 minutos), lo cual garantiza la esterilidad comercial del producto en estudio. 14  Capítulo 2 MARCO METODOLOGICO 2.1 Metodología La metodología que se utilizo es del tipo cuantitativo la cual tiene como objetivo establecer las variables de penetración de calor utilizando herramientas de liberalización como lo son los mínimos cuadrados y los cálculos referentes a un Estudio de Penetración de Calor usando la fórmula de Ball, a través de estos resultados asegurar una esterilización óptima para una bebida láctea de lulo y quinua en un envase de polietileno herméticamente sellado y que conserve sus valores nutricionales. Para el cumplimiento de los objetivos establecidos se aplicaron métodos estandarizados y ampliamente aplicados en la industria de alimentos a nivel mundial, se empleó el uso del software CALSoft 5 que funciona en base al método de Ball para llevar a cabo el procesamiento térmico de nuestro producto y para determinar su eficiencia en relación al grado de letalidad de las bacterias (haciendo énfasis a la Clostridium sporogenes PA3679 para el cálculo de un Fo de 6 como basado en la reducción de 5 ciclos logarítmicos de este microorganismo, siendo así el Valor de D a 121°C y 10°C de z del Clostridium sporogenes es de 1.2 minutos (L.Brown, 2012) , así tenemos: 15  Fo= D a 121°C x Log (No/N) Fo = 1.2 x 5 = 6 minutos. Adicionalmente también hacemos referencia a otro microorganismo de interés como lo es el Bacillus sterothermophilus , debido a que es un microorganismo indicador relacionado con la descomposición de los productos lácteos , a pesar que este no este considerado como un microorganismo patógeno. El valor de D a 121.1°C con un z de 10°C en un medio de Buffer de fosfato es 3,9 minutos (Ferraz & Fraiha, 2010) a lo cual el número de reducciones logarítmicas calculadas para condiciones de esterilización para determinar el Fo de 6 minutos es de solo de 1.53 ciclos lo cual es limitado, esto se basa en la baja probabilidad de una carga inicial alta (almacenamiento en frio de la leche pasteurizada), pero también se considera la condición de no desnaturalizar las proteínas del suero como la beta lacto globulinas así como las k-caseínas que provocan su precipitación (Badui, 2010). 2.2 Métodos 2.2.1 Métodos Teóricos Método de Ball para evaluación de Procesos Térmicos Según ( (Teixera & Miranda, 2012); este método hace uso de tablas del valor de procesado con respecto al índice de velocidad de calentamiento y la diferencia de temperatura entre el punto más frio y la temperatura de retorta al final del ciclo de calentamiento. El cálculo de tiempos de procesos y letalidades del mismo durante las operaciones de esterilización de alimentos enlatados es un aspecto que involucra algunos de los cálculos más 16 tediosos dentro de la Ingeniería de Alimentos. El método en si tiene como meta ofrecer un análisis crítico del factor de corrección para el tiempo de puesta en marcha (CUT) que demuestra que el tiempo de operación (Pt) es siempre el mismo, independientemente de la cantidad de puesta en marcha a tiempo se toma en cuenta. Figura 3: Perfil típico de temperatura vs Tiempo en alimentos esterilizados en autoclaves de vapor estacionarios Fuente: (Holdsworht , 1997) A continuación se muestra la ecuación del Metodo de Ball Bb = fh [log (jh Ih) - log (g)] En donde se muestra el significado de todas las variables necesarias para desarrollarla a continuación: D: Es la combinación entre el tiempo y temperatura para llevar a cabo una reducción del 90% de los microorganismos de descomposición. Fo: tiempo en minutos para destruir un tipo de microorganismos a 121.1°C y una z de 10 ° C, el Fo objetivo para productos bajo Ácidos que contienen leche es Mínimo de 6. 17 z: Pendiente de la curva de tiempo de muerte térmica en °C Fi: Numero de minutos a la temperatura del autoclave equivalente a 1 minuto a 121.1°C U: Es el valor de Fo a la temperatura de operación del autoclave fH:Es la pendiente de la curva de penetración de calor en la etapa de calentamiento correspondiente a un ciclo logarítmico expresada en minutos. jH: factor de calentamiento adimensional que relaciona la temperatura inicial, la temperatura del cero corregido y la temperatura del autoclave en la curva de calentamiento de penetración de calor. Cero Corregido: Es la lectura del tiempo de la curva de calentamiento medida al 40% del Comer up time, para una retorta continua este valor es 0. Ih: Fuerza motriz o diferencia entre la temperatura del autoclave y la temperatura inicial del producto. Bb: tiempo de proceso calculado por el método de Ball. RT: Temperatura del autoclave. IT: Temperatura inicial del producto. Este método: Permite la extrapolación de los tiempos de proceso a diferentes RT’s e IT’s (se aplican limitaciones) Proceso de cálculo más ampliamente utilizado. Los supuestos, a menudo, sobreestiman la letalidad del proceso, (real > objetivo utilizado en el cálculo). Los supuestos hacen al Método de Ball flexible pero no eficiente Puede ser utilizado para: Determinar un tiempo de proceso si el valor F objetivo es conocido 18  Determinar el valor F estimado si el tiempo de proceso es conocido Extrapolar procesos basados en varias IT y RT Calcular procesos para el mismo producto en diferentes tamaños de lata El método de Ball es usado en gran parte de los softwares informáticos de control dentro de la industria de alimentos debido a que es el más flexible porque puede calcular los rangos RT/IT y liberar una desviación. Distribución T de Student El valor t es un estadístico aplicado a la prueba t que mide las diferencias entre un estadístico de muestra observado y su parámetro de población hipotético en unidades de error estándar. Siendo así la prueba t hace una comparación del valor t observado con un valor crítico en la distribución t con (n-1) grados de libertad para determinar si la diferencia entre los valores estimados e hipotéticos del parámetro de la población es estadísticamente significativa. Para comparar las dos metodologías aplicadas para la evaluación del tratamiento térmico óptimo , (Pulido, 2004) propone aplicar herramientas estadísticas paramétrica que permitan establecer diferencias significativas con un 95% de confianza aplicando la prueba T de Student, partiendo de la premisa que los datos se encuentran dentro de la campana de Gauss, es decir son normales. Autoclaves de Agitación Continua 19  Los autoclaves de agitación continua proporcionan un manejo continuo de los envases y la agitación intermitente del producto. Está construido con una serie de cámaras cilíndricas llamadas armazones, típicamente de 1.5 m de diámetro. El tratamiento y el enfriamiento se realizan en cámaras separadas conectadas mediante válvulas de transferencia. Para (M.Dignan, 2007) el diseño específico de la maquinaria depende de varios factores tales como el producto, el envase y las condiciones de tratamiento térmico, así mismo la temperatura de referencia de los instrumentos de medición deben análogos e independientes. Los parámetros de control a tener en cuenta en el funcionamiento de los autoclaves de agitación continua son: Temperatura Inicial Temperatura y Presión de Operación durante la Esterilización Hora de Entrada de los primeros envases al autoclave Hora de salida de los últimos envases Velocidad de la Cadena Funcionamiento del extractor de condensación Otros factores tales como la consistencia del producto, peso, llenado máximo, vacío y especificaciones del recipiente hermético. Los factores críticos son controlados en intervalos frecuentes de 15 minutos o menos para asegurar que los valores estén dentro de los límites aceptables y asegurar el tratamiento adecuado. Es de indicar que es aceptado en la actualidad utilizar termógrafos que tienen las características de almacenar y la información y evitar que esta sea adulterada (CFRPart11, 2016), la frecuencia mínima de colección de datos que principalmente son las temperaturas 20 de referencia de los elementos de control, la rotación, velocidad de la cadena en un tipo de autoclave se pueden capturar cada 15 segundos (FDA CFR 21 Parte 113, 2016). 2.3 Premisas o Hipótesis La calidad de la materia prima, las condiciones ambientales, los instrumentos de recopilación de datos del autoclave, la higiene y somatización de los equipos y el entorno donde se lleva a cabo el tratamiento térmico, el volumen de producción, los sistemas automáticos de control y su respectivo mantenimiento y calibración y por último el grado de penetración de calor y la eficiencia al final del proceso de pasteurización son los principales factores que influyen en cuanto al rendimiento y eficiencia final del proceso térmico comprobándolo finalmente por medio de los análisis microbiológicos, físico – químicos y de control de calidad. 2.4 Universo y muestra El universo de muestra está representado por la cantidad de bebida láctea a base de lulo y quinua que va a ser tratada térmicamente en envases de polietileno dentro de un autoclave de agitación continúa. De acuerdo a (Technical, 2015) estudio de penetración de calor implica colocar un minimo de 12 termocuplas tipo dataloggers para al menos obtener 10 datos válidos, este procedimiento es recomendado aplicar minimo 2 réplicas. Las lecturas de temperaturas resultantes son analizadas usando el método de Ball con el fin de determinar que el tiempo de proceso Bb asegura un Fo minimo de 6, el cual es el grado óptimo para la erradicación de la bacteria Clostridium sporogenes el cual existe una probabilidad de crecimiento. Es de considerar que debe existir un minimo de 2 Dataloggers 21 que tomen lectura de la distribución de temperatura en los alrededores con el fin de poder corroborar la temperatura del autoclave durante la prueba. 2.5 CDIU – Operacionalización de variables Instrumentos Tipo de Unidades Norma o Variable Definición Dimensiones o Variable de Análisis Método Indicadores pH Calidad de la Son todos los MTLD Procedencia, Brix Materia ingredientes Análisis de Standart conservación ST Prima que componen Control de Independiente y estado a Acidez Ficha (pulpa – el producto Calidad de la nivel Densidad técnica leche- luego de ser Materia Prima orgánico Proteínas quinua) procesados. Formulación Ficha Composición Apariencia Termobalanza %ST Técnica del Dependiente adecuada en del Producto del Producto Picnómetro. Densidad Producto base a receta Temperatura Recopilación de Variables 122°C Termocuplas °C 21 CFR Independiente datos a los largo que cambian Presión 2,1 Manómetros PSI 113 del proceso en el tiempo Bares Es el espacio Buena que queda libre Agitación del Estudio de Espacio de entre el Calibrador Dependiente producto milímetros Penetración Cabeza volumen total Vernier durante de Calor del envase y el Esterilización volumen del 22  producto contenido Tiempo necesario suministrada a un envase para Proceso Método de el propósito de programado Ball Bb Dependiente su esterilización No Aplica Minutos en el Ver anexo dependiendo autoclave 22 del microorganismo de interés y el Fo objetivo Elaborado por el Autor. 2.6 Gestión de datos Para el análisis de la información se utilizó los datos obtenidos de los sensores e instrumentos de medición dispuesto en el autoclave de agitación continua y con ellos hacer el respectivo tratamiento de datos usando el Software colector Qlever para luego exportarlos en Excel y darles el tratamiento matemático aplicando el Método de Ball, asi mismo estos mismos datos ingresarlos al software CALSoft 5. 2.7 Criterios éticos de la investigación De acuerdo a lo establecido en las normas de la (FDA CFR 21 Parte 113, 2016), (PMO Grade A , 2009) y la (USDA-FSIS 9 CFR 318.305 (B)) se establecen los parámetros de control de los equipos de procesamiento térmico para alimentos sellados herméticamente con la finalidad de: Obtener un producto comercialmente estéril. Aplicar el método de Ball en el sistema de autoclave de agitación continua con la finalidad de llegar a un Fo mayor o igual a 6. 23  Capítulo 3 RESULTADOS 3.1 Antecedentes de la unidad de análisis o población La unidad de análisis fue el producto Bebida de leche con lulo y quinua al cual se le aplico la conducción de un estudio de Penetración de Calor en donde siguiendo el protocolo de Estudio de Penetración de Calor (ver anexo 22) se insertaron 12 termocuplas PicoVacq en el punto más frio dentro de los envases y las cuales se analizó su comportamiento y se determinó el Fo con el software Qlever que aplica internamente el método General o la termocupla que más difícil alcanzo la temperatura de esterilización , de este consideración se exportaron los datos de esta termocupla y se le aplico el Método de Ball el cual tiene la ventaja de simular a diferentes temperaturas de esterilización y temperaturas de inicial los resultados de tiempo de procesamiento térmico para obtener un Fo mínimo de 6. A partir de este estudio se determinó el tiempo de proceso óptimo programado en este tipo de Esterilizador Continuo y se compara este resultado con el obtenido en el software 24 comercial CALSOFT para a través de Inferencia estadística utilizando la herramienta de T Student se determinó que ambos métodos con una probabilidad del 95% no presentan diferencia significativa. 3.2 Diagnostico o estudio de campo: Como se ha manifestado en el antecedente, los resultados están orientados en determinar el tiempo de proceso óptimo para una Bebida de Leche con lulo y Quinua , es de indicar que para llevar la conducción de un estudio de penetración de calor , previamente el Esterilizador Hydrolock ha sido previamente validad por una autoridad de proceso reconocida por la FDA mediante un estudio de distribución de temperatura , en el cual se emplearon 10 termocuplas en diferentes posiciones de los tubos ( total de 1157 tubos) , los cuales tuvieron que estar precargados con producto con el fin de simular que el vapor se distribuya uniformemente en todos los recipientes que contienen producto. Una vez superada esta fase es de importancia se enlistar todos factores críticos y pasos necesarios para documentar el estudio de penetración de calor, se hace la recolección de datos, su análisis y se aplica el Cálculo de Proceso térmico empleando el Método de Ball. 3.2.1 Formulación del Producto Antes de conducir el estudio de penetración de Calor, se estable la formulación del producto el cual es un factor crítico en el tratamiento térmico pues las propiedades termodinámicas del producto influyen en el tiempo de proceso para alcanzar el Fo objetivo. Además la composición nutricional define el tipo de rotulado final según la normativa Ecuatoriana (INEN 1338 – 2 ,2011), en la cual es obligatorio la inclusión del semáforo basado en el Registro s N° 318 del Año 2014. La fórmula fue definida basándose en el desarrollo de una bebida de durazno con leche y agua la cual está en etapa de investigación. Tabla N° 3 Composición Porcentual del producto “Bebida con leche, lulo y Quinua 25  Ingredientes % - P/P Agua 61.50% Leche Fresca (3.2-3.5 %) 24.25% Azúcar 7.50% Pulpa de Naranjilla (6°BRIX ) 5.00% Semillas de Quinua 1.00% Estabilizante Pectina AMD 783 0.35% Ácido láctico 0.35% Citrato de Sodio 0.04% Sabor a lulo idéntico al natural 0.02% TOTAL 100.00% Elaborado por el Autor. Una vez formulado el producto y desarrollado se procedió a ser su análisis nutricional en el cual a continuación se presenta el método de cálculo basado en la Normativa INEN 1134- 2:2011 para obtener el respectivo cálculo nutricional el % de valor diario correspondiente a una dieta de 2000 calorías. Tabla N°4 Nutrientes a declararse y su Valor Diario Recomendado. Valor Diario Nutriente a declararse Unidad Recomendado Grasa total g 65 Grasa Saturada g 20 Colesterol mg 300 Sodio mg 2400 Carbohidratos totales g 300 Proteína g 50 Fuente: INEN 1334-2:2011 Tabla N°5 Factores de Cálculos de Energía (Macronutrientes) Factor de Energía Energía Carbohidratos totales 17 Kj/g Proteínas 17 Kj/g Grasas 37 Kj/g Fuente: INEN 1334-2:2011 Matriz de Cálculo Nutricional. Gramos x Valor Diario % Valor Nutriente a declararse Unidad porción según Recomendado Diario análisis Grasa total g. 65 1.2 2% 26  Grasa Saturada g. 20 0.8 4% Colesterol mg. 300 4 1% Sodio mg. 2400 36 2% Carbohidratos totales g. 300 20 7% Proteína g. 50 1.6 3% Elaborado por el Autor. Una vez obtenido estos resultados en base a los análisis obtenidos en laboratorio usando la tecnología de Infrarrojo por transformada de Fourier (ISO 21543, 2006)realizados para una base de cálculo de 100 ml se obtiene la tabla de Información Nutricional: Tabla N°6 Información Nutricional del Producto Información Nutricional Cantidad por porción Tamaño de la porción / Serving size 200 cm 3 Porciones por envase / Serving per container 1 Cantidad por porción Energía / Energy 514 J (calorías 121 Cal) Energía de la grasa / Fat energy 44 kJ (calorías13 cal) % Valor Diario / Daily value * Grasa total / Total fat 1.2 g 2% Grasa saturada /Saturated fat 0.8 g 4% Grasa poliinsaturada 0g Grasa monoinsaturada 0g Grasas trans 0g Colesterol 4mg 1% Sodio / Sodium 36 mg 2% Carbohidratos totales / Total carbohydrates 20 g 7% Fibra dietaria / Dietary fiber Fibra insoluble < 0.5g Azúcares / Sugar 14.1 Proteína / Protein 1.6 g 3% Calcio 6 % Hierro 0 % Vitamina A 1% vitamina C 0 % *Valores porcentuales basados en una dieta de 2000 calorías. / *Percentage Daily Values are 27  based on a 2000 calories diet. * No es fuente significativa de vitamina C/ *Not a significant source of vitamin C Elaborado por el autor en formato de Tabla: INEN 1334-2:2011 Incluyendo el cálculo de semaforización del registro oficial Ecuatoriano N°318 del 2014 Este producto se categorizaría según la tabla que se adjunta a continuacion: Tabla N° 7 Calculo Estimado de Semaforización del Producto Componente Grasa totales Azucares Sal ( Sodio) Unidad g g mg Cantidad porción de 100 1.2 14.1 36.0 ml Cantidad 1.3 14.9 37.9 porción de 100 g Concentración Concentración Concentración Criterio Baja Media Baja Criterio Menor o igual Mayor a 5 y Menor o igual a Reglamento a 3 gramos en menor a 15 g en 120 mg de sodio Oficial 318 100 gramos 100 g en 100 g Pagina 5 Color Semáforo Elaborado por el Autor. 3.2.2 Método de Producción y Especificaciones Físico Químicas del producto A continuación se detalla los siguientes pasos para la obtención del producto. 28 1.- En un tanque se mide el agua tratada precalentada a 70 0C, se añade azúcar mezclada con la pectina y semillas de Quinua previamente hidratadas en agua y calentadas a 100°C por 30 minutos , lo cual se deja mezclar y agitar por 15 minutos, luego se agrega la pulpa de lulo y el ácido láctico dejando agitar 10 minutos más; en otro tanque prepara leche entera calienta a 50°C con citrato de sodio, luego de esto se añade la leche a la mezcla del primer tanque, se deja agitar todo por 10 minutos y se adiciona el saborizante de lulo. 2.- Pasteurización a 850C por 15 segundos, homogenización a 175-200 bares para enfriar el producto pasteurizado entre 15 y 25°C. 3.- El producto se envasa en las pomas de 200 cc y se sella el foil de aluminio a temperaturas superiores de planchas de sellado de 165°C. 4.-Luego el producto envasado es esterilizado en el Sistema de Autoclave continuo con agitación con una temperatura de esterilización de 122 0C por un tiempo de 17 minutos y después se realiza un enfriamiento del producto de 15 a 25 °C. 5.- El producto esterilizado pasa por un proceso de cuarentena de 7 días y se realizan los análisis de calidad correspondientes. Diagrama de Flujo Mezclado de Ingredientes Tanque 1: Agua con pulpa, azúcar, pectina y quinua hidratada a 70°C Tanque 2: Leche con citrato de sodio a 50°C Mezcla del tanque 2 al tanque 1, dando una temperatura final de 55-60°C Pasteurización y Homogenización y Enfriamiento Se pasteuriza a 85°C x 15 seg, se homogeniza entre 180-200 bar y se enfría entre 15- 25°C 29  Envasamiento En presentación de 200 ml en pomas de polietileno de alta densidad termoselladas con foil de aluminio Esterilización A temperatura de 122°C por un tiempo programado de 17 minutos y presión de 2.1 bar Cuarentena Durante 7 días a temperatura ambiente para revisión al 100% del producto Tabla N°8 Especificaciones Físico Químicas y Microbiológicas del Producto. FISICO QUIMICOS RANGO UNIDAD pH 4.70-5.00 pH SOLIDOS TOTALES 15.00-16.50 % HUMEDAD 88.00-87.00 % SOLIDOS SOLUBLES 12.00-13.00 Brix DENSIDAD 1.050-1.060 g/cc ACIDEZ (% ACIDO CITRICO) 0.21-0.26 % CANTIDAD DE GRASA 1.0-1.3 % Lulo con un toque de SABOR quinua Sensorial COLOR amarillo crema Sensorial OLOR Lulo Sensorial ASPECTO Normal Sensorial TEXTURA suave , líquida Sensorial CONSISTENCIA liquida pero con cuerpo Sensorial MICROBIOLOGICOS RECUENTO ESTANDAR EN PLACA < 1 X 10° ufc/cm3 COLIFORMES TOTALES < 1 X 10° ufc/cm3 MOHOS Y LEVADURAS < 1 X 10° gufc/cm3 E.COLI Ausencia ufc/cm3 Elaborado por el Autor. Norma de Referencias: NTE INEN 708:2010 Leche Fluida con ingredientes 30  NTE INEN 2335:03 Leche Larga vida. Método para el Control de la Esterilidad Comercial 3.2.3 Peso Neto, Espacio de Cabeza El peso neto de este producto está basado en las dimensiones del envase de polietileno de alta densidad el cual fue calculado para un volumen de 200 ml en 210.8 g como peso objetivo. El cual basado en la Recomendación Técnica ecuatoriana OIML R: 87 del año 2004 “Cantidad de Productos en paquetes” el % de sobrellenado máximo permitido es de 4.5% del valor objetivo de 210.8 g, por lo tanto esto se refiere a 220.3 g. A este máximo llenado estadísticamente se calcula el Mínimo espacio de cabeza en mm, para basados en la peor condición posible realizar el estudio de penetración de calor , este resultado dio 18.8 mm como el espacio de cabeza más crítico. 3.2.4 Condiciones operacionales del proceso Térmico a aplicar Conocido también como el proceso programado, se conoce bajo este concepto el más adecuado para que el producto obtenga esterilidad comercial. Tabla 9. Tratamiento Programado del Producto Receta Leche_Lulo 200 cc Tiempo Programado en etapa de esterilización 17 Temperatura Inicial °C 15 a 25°C N° de botellas x tubo 10 Cadencia( Tubos x minuto) 25,8 Presión de vapor ( psi) 2,1 Temperatura del vapor 122 +/-0.5 en la zona de esterilización °C 31  Temperatura del agua de enfriamiento a la salida de la 35 sección de Esterilización °C Elaborado por el Autor 3.3 Conducción de Estudio de Penetración de Calor usando el Método de Ball 3.3.1 Información del Autoclave: Modelo: Esterilizador de Agitación Continuo Modelo Hydrolock 2 x 85 / ACB 438-3000 N° Serie: MAC01701 Año de manufactura: 2015 Capacidad de Tubos: 1157 N° de envases de 200 cc que entran x tubo: 10 Tabla 10 Detalle de Señales de Control del Sistema Entrada=E Código de Designación Señales de Control Salida=S Tipo de Señal la Señal Presión de la Presión cámara de E Analogica-4-20 PT210 Esterilización Nivel de Llenado Nivel de cámara E Analogica-4-20 LT110 B1 Temperatura frontal Temperatura E Analogica-4-20 TT210 B1 Cámara Esterilización Temperatura medio Temperatura E Analogica-4-20 TT211 B1 Cámara Esterilización Temperatura final Temperatura Cámara E Analogica-4-20 TT212 B1 Esterilización Elaborado por el Autor en base a especificaciones de Equipo de Esterilización Continúo. 3.3.2 Producto de Estudio 32  Bebida con leche, lulo y quinua en un envase herméticamente sellado de 200 cc de material HDPE (Polietileno de Alta densidad). Fecha de Análisis: 28 de julio del 2016. 3.3.3 Tipo de Envase y Tipo. Botellas de Polietileno de Alta Densidad con botellas de 117,5 mm de alto 54,35 mm de diámetro (Ver Anexo 1 para especificaciones técnicas). Los envases son colocados en posición horizontal en los tubos con su boquilla hacia el lado izquierdo para una totalidad de 10 envases por tubo, los otros tubos para simular condiciones de carga completa de la autoclave continua fueron llenados con agua (total de tubos llenados: 1157). 3.3.4 Dataloggers de temperatura usados en el producto. Tipo: Dataloggers Pico Vacq calibrados y certificados, manufacturados por TMI Orión con resolución de 0.01 °C, Precisión: +/-0.2°C y frecuencia de recolección de Datos cada 10 segundos. Los Dataloggers se colocan en el centro geométrico del producto en base a la siguiente figura. Figura N°4 Ubicación de Sensor dentro del Recipiente. Elaborado por el Autor. 3.3.5 Localización de los Dataloggers dentro de los envases al realizar la prueba. Si bien es cierto en cada tubo entran 10 posiciones, la distribución de temperatura previamente realizada para este tipo de autoclave asegura que no existen puntos fríos, por lo que los Dataloggers pueden distribuirse a lo largo de los tubos. 33  La ubicación se realizó en el extremo izquierdo, centro y extremo derecho, asi mismo se realizaron 3 réplicas para que el estudio sea más representativo. El minimo de sensores para un estudio de Penetración de calor es de 10 (Technical, 2015) ver protocolo de Estudio de Penetración de Calor (Anexo 22). A continuación es el siguiente esquema se muestra la ubicación de los sensores: Tubo A Replica 1 T Externa T Externa T Externa Tubo B 160534 T Externa T Externa T Externa Tubo A 63703 161587 110917 Replica 2 Tubo B 160534 63705 T Externa T Externa Tubo A 161587 110917 Replica 3 T Externa Tubo B 160534 63705 Figura N°5 Ubicación de Dataloggers ubicados en los recipientes dentro de los tubos. Elaborado por el Autor. Es de indicar que existen otros sensores para leer la temperatura externa de la retorta, que para fines prácticos de los cálculos solo se utilizan para validar que la distribución sea homogénea en todos las zonas del autoclave en el momento, asi como para comparar con los 3 termómetros de referencia mencionados. 34  Los Dataloggers incluyen el Software Qlever el cual automáticamente calcula el valor de Fo aplicando la ecuación del método General en su algoritmo interno, esto es de gran ayuda ya que en base a esta información se puede determinar cuál es la curva de penetración de calor que demora más en llegar a la temperatura de la retorta y por ende la que tiene menor valor de Fo, lo que la convierte en la más crítica para el objeto del estudio. N° datos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N° replica 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 Id Datallogger ==›› 160534 63703 160534 161587 63705 110917 160534 161587 63705 110917 Fo en minutos Metodo general 9.59 7.57 8.64 8.58 8.52 8.11 9.63 8.9 9.19 9.11 T Inicial °C 28.71 27.54 27.3 27.62 28.36 26.73 29.75 31.19 30.33 29.9 Figura N°6 Resultados de Fo obtenido en Software Qlever por el Metodo General Elaborado por el autor usando como herramienta el software Qlever 3.3.6 Resultados de Cálculo de Método de Ball Previamente al desarrollo del Método se señalan las siguientes ecuaciones a utilizar, el concepto previo de cada una de estas variables se describe en el marco teórico. Ecuaciones Utilizadas N Foz:10°C,Tr:121.1°C = D 121.1°C xLog ( ) No Fi = 10((121,1−Tr)/z) U = FoxFi 1 fh = abs( ) m(TR°C−T°C) vs t min 35  𝑅𝑇 − 𝑇𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 jh = 𝑅𝑇 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 fh = log 𝑔 ver en Anexo 4( tabla de ball) U 𝐼ℎ = 𝑇𝑅 − 𝑇𝐼 Bb = fh × (log ( jh × Ih) − log g) Bb = Pt + 0.42xCut Al ser un proceso térmico en una autoclave de tipo continuo, no se puede dar el 42% de crédito al Come-up time o tiempo de alza ya que este es 0, ya que en su zona de esterilización siempre se va a mantener a la temperatura definida de 122°C durante el estudio. 3.3.7 Resultados de la Colección de Datos en la termocupla 63703 que obtuvo menor Fo según los resultados de Software Qlever. Para realizar el cálculo de fH que es la pendiente de la curva de penetración en la etapa de calentamiento, es necesario previamente tabular los datos solo hasta la etapa de calentamiento, y luego de esto graficarlo en una escala Semilogaritmica inversa para linealizarla a través del método de mínimos cuadrados que tiene la función de Excel y luego obtener los datos ajustados de calentamiento a lo cual se aplicara interpolación lineal para hallar el tiempo en que recorre el calentamiento 1 ciclo logarítmico. Tabla N° 11 Datos de Penetración de Calor para Construcción de Grafica en la etapa de Calentamiento log y log y x invertido x invertido Tiempo TR-Tprod Tiempo TR-Tprod T prod °C (min) °C T prod °C (min) °C 36  27.01 0 94.99 112.56 10 9.44 27.04 0.5 94.96 113.63 10.5 8.37 27.06 1 94.94 114.66 11 7.34 27.04 1.5 94.96 115.42 11.5 6.58 27.04 2 94.96 116.47 12 5.53 28.29 2.5 93.71 117.32 12.5 4.68 35.11 3 86.89 118.17 13 3.83 44.13 3.5 77.87 118.82 13.5 3.18 57.69 4 64.31 119.43 14 2.57 67.66 4.5 54.34 119.99 14.5 2.01 75.14 5 46.86 120.23 15 1.77 82 5.5 40 120.51 15.5 1.49 87.43 6 34.57 120.6 16 1.4 93.27 6.5 28.73 120.88 16.5 1.12 98.4 7 23.6 120.9 17 1.1 102.36 7.5 19.64 120.88 17.5 1.12 105.41 8 16.59 120.95 18 1.05 107.81 8.5 14.19 121.05 18.5 0.95 109.67 9 12.33 121.27 19 0.73 111.1 9.5 10.9 Elaborado por el Autor. 37  0,1 0 5 10 15 20 1 TR-T (°C) 10 100 y = 165,34e-0,289x R² = 0,9882 TIEMPO MINUTOS 1000 Figura N° 7 Grafica Obtenida a partir de Datos para Estimación de fH Elaborado por Autor usando el software Excel y determinación de ecuación basada en el método de regresión lineal y mínimos cuadrados (Chapra, 2011) Se analiza que la curva tiene un comportamiento de calentamiento simple, así mismo su coeficiente de correlación muestra un buen ajuste para considerar con esta ecuación dentro de los nuevos valores ajustados de (TR-T) °C 3.3.8 Resultados Ajustados en base a Linealización de Datos Para este fin solo tabularemos los datos más próximos a través de la iteración de la ecuación obtenida en la gráfica con el fin de obtener los datos de TR-Tprod que generen la diferencia de un ciclo logarítmico y por ende el resultado de fH. 38 Tabla N°12 Datos linealizados para obtener 1 ciclo logarítmico en Curva de Calentamiento. tiempo TR-T°C (min) Ajustados de ecuación de Linealización x y 1,74 99,99889117 1,71 100,8696245 9,74 9,906872387 9,7 10,02205685 Aplicando la ecuación de interpolación lineal obtenemos: ( x − x1) y = y1 + ( y 2 − y1) x 2 − x1 TR-T°C Ajustados de tiempo ecuación de (min) Linealización x y 1,7399 100 9,7076 10 Siendo así el valor de fH es: fH: 9.7076-1.7399 fH: 7.97 minutos. Calculo de factor lag de calentamiento (jH) a Cero Corregido Para determinar este factor, es necesario interpretar que un Autoclave continuo no tiene Come up time a diferencia de una autoclave por lote, bajo este principio técnico el valor 39 del cero corregido o denominador (RT-T cero corregido) es igual al intercepto de la ecuación por lo tanto: 165.34 jh = 122 − 27.01 jH: 1.7406 Nota: Para otros casos como Autoclaves en batch, el Cero Corregido se calcula a partir del 58% del Come up time o tiempo de alza calculado en la curva de Distribución de temperatura. Cálculo de Log (g) El cálculo de log (g) se basa en determinar en la tabla de Ball (Anexo 4) la relación fH/U Siendo asi remplazando ecuaciones tenemos: U = Fo objetivo x Fi = 6 x 10((121,1−122)/10) = 4.87698 fh 7.97 = = 1.63373 U 4.87698 Interpolando de los datos más próximos de la tabla de Ball tenemos que log (g) es fH/U Log (g) 1.63 0.159 1.64 0.164 Por lo tanto fH/U equivale a un log (g) de 0.1584 Cálculo de Tiempo de Proceso Bb. Si bien es cierto el Método de Ball indica que Bb = Pt + 0.42xCut 40  Al ser un autoclave continuo es de indicar que él Come up time (Cut) es igual a 0, por lo tanto en base a esto no se puede dar crédito de aporte de letalidad al este factor siendo asi Bb es igual a Pt (tiempo de proceso a la temperatura de esterilización definida). Bb = fh × (log ( jh × Ih) − log g) Bb = 7.97 x ((Log (1.7406) x (122-27.01)) – 0.1584) Bb= 7.97 x (2.2183-0.1584) Bb= 16.41 minutos La ventaja del Método de Ball es que se puede calcular a diferentes valores de Temperatura Inicial y diferentes temperaturas de Esterilización con el fin de poder manejar desviaciones de proceso, lo cual es un requisito de la FDA 21.Part.113 (Low Acid Canned Food), siendo así se tabula a continuación: Tabla N°13 Calculo de Bb a diferentes IT y TR IT °C TR Ih jh*iH log jh*iH fh/U log g Bb min 20,000 118,000 98,000 170,579 2,232 0,650 -0,843 24,500 21,000 119,000 98,000 170,579 2,232 0,819 -0,514 21,875 22,000 120,000 98,000 170,579 2,232 1,030 -0,243 19,719 23,000 121,000 98,000 170,579 2,232 1,298 -0,021 17,948 24,000 122,000 98,000 170,579 2,232 1,634 0,158 16,521 Elaborado por el Autor. 3.3.9 Comparación de Resultados. 41  A continuación se va a tabular 2 tablas de cálculo aplicando la fórmula de Ball una temperatura de esterilización de 122°C pero con temperaturas iniciales desde 15°C a 25°C. METODO 1: Usando Software Comercial. Variables determinadas con CalSoft jH: 2.44 fh:7.01 xbH: 0 ( esto indica que la curva de calentamiento es simple) Come up time: 0 Tabla N° 14- Resultados con Software CALSOFT Bb IT °C TR Ih jh*iH log jh*iH fh/U log g min 15.000 122.000 107.000 282.480 2.451 1.437 0.062 16.744 16.000 122.000 106.000 279.840 2.447 1.437 0.062 16.716 17.000 122.000 105.000 277.200 2.443 1.437 0.062 16.687 18.000 122.000 104.000 274.560 2.439 1.437 0.062 16.658 19.000 122.000 103.000 271.920 2.434 1.437 0.062 16.628 20.000 122.000 102.000 269.280 2.430 1.437 0.062 16.599 21.000 122.000 101.000 266.640 2.426 1.437 0.062 16.569 22.000 122.000 100.000 264.000 2.422 1.437 0.062 16.538 23.000 122.000 99.000 261.360 2.417 1.437 0.062 16.508 24.000 122.000 98.000 258.720 2.413 1.437 0.062 16.477 25.000 122.000 97.000 256.080 2.408 1.437 0.062 16.446 Elaborado por el Autor. METODO 2: Método de Ball hallando los factores a través de Linealización. Variables determinadas en este trabajo jH: 1.7406 fh:7.97 Come up time: 0 Tabla 15.- Resultados Método de Linealización. 42  IT °C TR Ih jh*iH log jh*iH fh/U log g Bb min 15.000 122.000 107.000 186.245 2.270 1.634 0.159 16.824 16.000 122.000 106.000 184.504 2.266 1.634 0.159 16.792 17.000 122.000 105.000 182.763 2.262 1.634 0.159 16.759 18.000 122.000 104.000 181.023 2.258 1.634 0.159 16.726 19.000 122.000 103.000 179.282 2.254 1.634 0.159 16.693 20.000 122.000 102.000 177.542 2.249 1.634 0.159 16.659 21.000 122.000 101.000 175.801 2.245 1.634 0.159 16.625 22.000 122.000 100.000 174.060 2.241 1.634 0.159 16.590 23.000 122.000 99.000 172.320 2.236 1.634 0.159 16.556 24.000 122.000 98.000 170.579 2.232 1.634 0.159 16.520 25.000 122.000 97.000 168.839 2.227 1.634 0.159 16.485 Elaborado por el Autor. 3.3.10 Análisis Estadístico. Una vez realizados ambos métodos se va a comparar ambos resultados a través de Inferencia Estadística para lo cual se va a utilizar el método de la Prueba de T student para datos pareados. Siendo asi se tabula ambos resultados de Bb de ambos métodos Tabla N° 16 Resultados comparativos de tiempos de proceso calculados. Bb1 Bb2 Diferencias Método de Ball realizado en Método de Ball Software Bb1 – Bb2 este trabajo Calfsoft 16.82 16.74 0.08 16.79 16.72 0.08 16.76 16.69 0.07 16.73 16.66 0.07 16.69 16.63 0.06 16.66 16.60 0.06 16.62 16.57 0.06 16.59 16.54 0.05 16.56 16.51 0.05 16.52 16.48 0.04 16.48 16.45 0.04 Elaborado por el Autor. Ecuaciones a utilizar para cálculo estadístico. Desviación Standart: 43  − i=1 n ( Xi − X ) 2 s= n −1 Datos para prueba T T calculado: − d  tcal = − Sd n Variables y Resultados. n = número de datos= 11 GL= Grados de Libertad = n-1 = 11 -1 = 10 Suma de Diferencias: 0.66 Desviación Standart de las Diferencias: 0.01353 d promedio= promedio de las diferencias: 0.060 t calculado= 14.7062 t crítico para 10 grados de Libertad = 2.228 (Nivel de confianza al 95% para 2 colas) Ver Resultado en Anexo 19. Conclusión: El valor t Calculado es mayor que t crítico, por lo tanto los resultados no difieren entre ambos métodos. Capítulo 4 Discusión 4.1 Contrastación empírica: