Software para la simulación y evaluación de tratamientos de presurización en alimentos (BAROSIM)

Prieto Maradona, M.(1); Rojas Paz, C.(1) Díez Díez, A. (2); Lozano Arias, J. A.(2)

Rodríguez Pérez, R.(3); Rodríguez López, J.(3)

1 Departamento de Higiene y Tecnología de los Alimentos, Universidad de León, 24071 León, España. Email: dhtmpm@unileon.es

2 Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad de León. Email: dieadd@unileon.es 3 Departamento I+D Campotec Grupo Campofrío. Polígono Gamonal, 09007 Burgos, España. Email:

roberto.rodriguez@cf.campofrio.es

Resumen Se describe una aplicación informática que evalúa la eficacia de tratamientos tecnológicos de alta presión destinados a inactivar microorganismos en alimentos. El software emplea modelos matemáticos de destrucción para grupos microbianos concretos. El empleo industrial de tratamientos de alta presión hidrostática precisa de soportes informáticos que evalúen su letalidad, y permitan conocer la conformidad de un proceso, de igual manera que se lleva a cabo con los tratamientos térmicos. Para monitorizar la intensidad de distintos tratamientos de presurización y poder valorar dicha intensidad en términos de valores D o ciclos logarítmicos de destrucción, se ha diseñado un programa que interpreta los ficheros generados por un equipo industrial de altas presiones. Palabras Clave: Simulación, modelado, altas presiones, barodestrucción 1 Introducción El proyecto ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología a través de un proyecto de investigación de título: “Estudio de validación de un procedimiento de pasterización por altas presiones en productos cárnicos (Ref. CAL 00-059-C2-2)”. Los grupos participantes son: Grupo Campofrío: Departamento I+D Campotec Universidad de León: Departamento de Higiene y Tecnología de los Alimentos y Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

Ilustración 1 Imagen de la máquina de proceso

1.1 Introducción a la tecnología Tanto fabricantes como consumidores desean que los alimentos sean de fácil y rápida preparación, frescos, sanos, con vida útil prolongada, pero a la vez que contengan la menor cantidad posible de conservadores u otros aditivos y sean procesados con alta calidad [2]. Los métodos tradicionales de conservación buscan la destrucción o inactivación de enzimas y microorganismos (patógenos y alterantes). Entre estos métodos se incluyen tratamientos físicos tales como el tratamiento térmico, desecación, congelación y refrigeración, o químicos, como la adición de conservadores u otros aditivos. En estos métodos, aunque sin duda son eficaces, hay que procesar severamente al alimento, provocando así la pérdida de nutrientes y en algunos casos modificando el sabor del alimento. Los nuevos métodos de tratamiento y conservación de los alimentos tienen la misma función que los anteriores, sólo que mejorando la calidad del producto final. Entre estas nuevas tecnologías se pueden mencionar:

altas presiones, irradiación, luz pulsada,

calentamiento óhmico, cocción al vacío.

Las ventajas de estos nuevos desarrollos son: Eliminación de aditivos; Conservación de las cualidades tanto

sensoriales como nutritivas de los alimentos; Vida útil mas prolongada; Mayor efectividad contra microorganismos

patógenos; Menor consumo energético.

La tecnología de las altas presiones aplicada a la industria alimentaría consiste en someter el producto a una elevada presión hidrostática, entre 4.000 y 9.000 atm., durante un tiempo que varía en función del alimento. La presión aplicada es uniforme, de manera que no existen zonas del producto insuficientemente tratadas y, a diferencia del tratamiento térmico, el tratamiento por alta presión no es tiempo / masa dependiente, por lo que se reduce el tiempo de procesado. Un aspecto importante de esta tecnología es la inactivación de las enzimas mientras que los nutrientes y el sabor se mantienen, lo que proporciona a los alimentos presurizados un aspecto fresco. En general, la destrucción celular aumenta cuando se incrementa la presión, y la temperatura de presurización, en un medio de suspensión con bajo contenido sólido y en presencia de antimicrobianos. Las bacterias Gram negativas son más sensibles que las Gram positivas y cuando están en fase de crecimiento exponencial son más sensibles que en fase estacionaria. Dentro de una misma especie no todas las cepas son igualmente resistentes y la reducción de la carga microbiana está directamente relacionada con la presión aplicada. Los beneficios de la combinación de las altas presiones con temperaturas moderadas en términos de calidad, vida útil y seguridad podrían extenderse a muchos alimentos de alto valor y sensibles al calor, así como a comidas preparadas. 2 BAROSIM: Aplicación de

evaluación y monitorización de la actividad microbiana

2.1 INTRODUCCIÓN La aplicación informática BAROSIM se ha diseñado para estudiar y monitorizar los procesos de conservación de alimentos mediante el empleo de altas presiones. Se emplean modelos matemáticos de destrucción para grupos microbianos y se presentan los resultados gráficamente. El empleo a escala industrial de tratamientos de alta presión para inactivar microorganismos requiere programas informáticos que evalúen su letalidad, y permitan conocer la conformidad de un proceso, de

igual manera que se lleva a cabo con los tratamientos térmicos. Se ha diseñado un programa que interpreta los ficheros generados por un equipo industrial de altas presiones para conocer la intensidad de los tratamientos de presurización y valorar dicha intensidad en términos de valores D o ciclos logarítmicos de destrucción. 2.1.1 Desarrollo La inclusión de la aplicación informática en los ordenadores de control y monitorización del proceso tecnológico proporciona a los técnicos e investigadores estimaciones fiables en los cálculos de vida útil y de calidad de los productos tratados. Los modelos matemáticos permiten obtener predicciones de inactividad microbiana con un elevado grado de aproximación y basándose en el error relativo obtenido al desarrollar las ecuaciones matemáticas por procedimientos de regresión lineal y no lineal. Para el desarrollo de los modelos matemáticos se han empleado técnicas de modelización predictiva, infiriendo ecuaciones matemáticas que describen la inactividad microbiana en condiciones de tratamiento tecnológico por altas presiones. Los modelos desarrollados se basan en pruebas experimentales del comportamiento microbiano, siendo posteriormente validadas en alimentos específicos. 2.2 Funcionalidad del programa Las funciones del programa son las siguientes: Registro del proceso, el programa almacena

información referente a cada ciclo de presurización, los datos almacenados incluyen fecha de tratamiento, presión de régimen, ciclo de mantenimiento a presión de régimen, temperatura alcanzada, producto introducido, etc.

Monitorización del proceso, se visualizan los ciclos de presión y temperatura en pantalla (off-line)

Alertas sobre los valores de régimen preestablecidos.

Cálculo del efecto letal conseguido. Estimación de la inactividad total obtenida, empleada para comparar tratamientos diferentes.

Cálculo de barodestrucción de diferentes poblaciones microbianas, empleando distintos modelos.

Información sobre fiabilidad de los cálculos. Modificación de variables de los productos

tratados, lo que permite un ajuste fino cuando el producto presenta características distintas a las especificaciones de la base de datos.

Ayuda contextual de los parámetros ofrecidos en el programa.

2.3 DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN Dentro de la aplicación desarrollada destacamos dos elementos claramente diferenciados: 1- Estructura de información 2- Desarrollo de aplicación cliente 2.3.1 Estructura de información Los parámetros intrínsecos y composicionales de diversos productos cárnicos, así como los modelos matemáticos polinomiales que describen la barodestrucción de microorganismos patógenos y alterantes en condiciones de presión elevada, se almacenan en un sistema de gestión de bases de datos de uso común que permite editar e introducir nuevos datos. Esta base de datos se elaboró en formato Access, y se estructuró en 4 módulos:

módulo para la definición de parámetros; (Ilustr. 2)

módulo para la definición de los diversos productos, en el que se introducen los parámetros que los definen y los rangos para los cuales el modelo es válido;

módulo de definición de modelos módulo de microorganismos que va ligado a

un grupo de modelos matemáticos descritos, siendo posible definir varios modelos para

un mismo microorganismo. (Ilustr. 3) 2.3.2 Aplicación BAROSIM El programa BAROSIM se desarrolló usando como lenguaje de programación el Visual Basic 6.0, aplicando programación orientada a objetos, desarrollado para entornos Windows de 32 bits, permitiendo el acceso a datos distribuidos, y todo ello con un entorno amigable y empleando multiventanas gráficas. La aplicación informática emplea modelos matemáticos de inactivación microbiana descritos en la bibliografía. Se han incorporado dos definiciones de modelos de inactivación, que se incluyen en la aplicación desarrollada; son dos modelos matemáticos de inactivación: el modelo clásico de

Bigelow, y el modelo Weibull [1] (Van Boeckel, 2002). El modelo clásico de Bigelow (Ecuación. 1). A su vez, la variable D (tiempo requerido para reducir el número de microoorganismos en un 90 %) se modeliza en función de los parámetros de producto y del parámetro de proceso Presión (modelo polinomial).

DttS

NN

−== )(loglog0

(1

Ecuación 1Modelo clásico de Bigelow

El modelo Weibull de probabilidades, que estima la inactivación microbiana en base a la función de densidad de probabilidades del mismo nombre (Ecuación. 2). Los parámetros α y β, términos incluidos en la función de la curva de supervivencia (Ecuación. 3) son modelizados por ecuaciones polinomiales y dependen a su vez de los mismos parámetros de producto y proceso .

−⋅

=

− ββ

αααβ tttf exp)(

1

(2

Ecuación 2 Modelo Weibull: función densidad de probabilidades

β

α

⋅−=

ttS303.21)(log (3

Ecuación 3 Modelo Weibull: función curva de supervivencia

Esta aplicación permite:

Modificar las variables de producto dentro de los rangos definidos por el modelo mediante el uso de barras de desplazamiento, visualizándose dinámicamente los cambios en la gráfica de barodestrucción.

Monitorizar las variables del producto. Se presenta en pantalla la evolución de la presión y la temperatura a lo largo del tiempo, a partir de los datos suministrados por un programa WinCC calculando el área total. Los valores de presión / tiempo y temperatura / tiempo que describen un ciclo de procesado se leen automáticamente del fichero Excel generado por una aplicación de monitorización del proceso, empleándose para el cálculo de la letalidad del tratamiento, visualizándose off-line. (Ilus.4)

Ilustración 2 Definición de parámetros

Ilustración 3 Datos microorganismos y

modelos

Presentación del efecto del tratamiento de presurización. El programa representa la gráfica de inactivación junto con sus intervalos de confianza al 95% y la tabla de resultados, y los valores de los parámetros modelizados según el modelo empleado.

Cálculo de tratamientos de baroinactivación. Se pueden llevar a cabo estudios de condiciones de tratamiento mediante la modificación de las variables Presión-tiempo, obteniéndose estimaciones de los valores d, o de la reducción de la carga microbiana producida por el tratamiento aplicado. Referencias [1] van Boekel, M. A. J. S. 2002. On the use of

the Weibull model to describe thermal inactivation of microbial vegetative cells. International Journal of Food Microbiology, 74, 139-159.

[2] http://www.enfasis.com/rev_pack_lat/2002_0 5_nota.html. Procesos y tecnología , Nuevas tendencias de envasado en la industria alimentaria Envases y preservación de alimentos Enfasis Packaging Latinoamérica, Nota correspondiente a la edición número 05 | noviembre/diciembre2002 .

Ilustración 4 Pantalla aplicación BAROSIM