Aspectos Microbiológicos de los Métodos de Preservación e Inocuidad de Alimentos

INTRODUCCIÓN

Los peligros microbiológicos son una de las principales causas de enfermedades transmitidas por alimentos. Una comprensión de esos peligros es crucial para entender cuan idóneos son los controles que serán aplicados. La inocuidad alimentaria moderna tiene sus raíces en los métodos de preservación de los alimentos. Inicialmente, esos métodos fueron aplicados para extender la vida de anaquel de los alimentos, y con el tiempo, emergió una comprensión de como esos métodos tenían el efecto de hacer inocuos a los alimentos para consumo humano. Hoy esos métodos de preservación y control son utilizados ampliamente a nivel mundial como parte de los Estudios HACCP para producir de manera consistente alimentos para consumo masivo con alta calidad e inocuidad.

En esta entrada se clasificarán los principales factores de preservación e inocuidad de alimentos y se buscará profundizar en los requisitos específicos para alcanzar la inocuidad alimentaria en los productos. Se platicará de operaciones de proceso tales como calor, irradiación, alta presión, baja temperatura, congelación, deshidratación, empaques modificados y sustancias químicas. Una gran variedad de factores de preservación e inocuidad y sus modos de acción son utilizados en la producción moderna de alimentos. A continuación, se muestra un pequeño resumen. Su uso y aplicación depende de un cierto número de factores incluyendo el producto, peligros, legislación, y demanda de cliente/consumidor.

Modo de Acción	Factor de Preservación	Modo de Alcance (Logro)
Inactivación de Células Microbianas	Calor    Radiación     Alta Presión	PasteurizaciónEsterilización Comercial   Radurización Radappertización   Presión Isostática Fría
Inhibición de Células Microbianas	Enfriamiento    Reducción de Actividad de Agua       Restricción de Oxígeno     Acidificación         Adición de Alcohol     Adición de Conservadores	RefrigeraciónCongelación   Secado Salado Adición de Azúcar   Empaque al vacío Empaque con otros gases   Fermentación láctica Biopreservación Fermentación acética Adición de ácidos   Fermentación Fortificación   Conservadores químicos Ahumado
Restricción de acceso a los microorganismos	Descontaminación    Limpieza o manejo aséptico	IngredientesMateriales de Empaque   Limpieza y Desinfección Sistemas CIP

La inactivación de las células microbianas incluye métodos que eliminen un número significativo sino es que la totalidad de los microorganismos que se encuentran presentes en un alimento y usualmente es irreversible. Ejemplos de estos procesos incluyen la preservación por calor, radiación y procesamiento a alta presión. La inhibición de células microbianas no afecta de manera letal a los microorganismos, solo inhibe su reproducción. La restricción se refiere a los numerosos pre-requisitos de producción de alimentos inocuos que se han diseñado para mantener los peligros microbianos a un nivel inocuo en el entorno de producción y para prevenir su ingreso.

TRATAMIENTO Y PRESERVACIÓN POR CALOR

El calor ha sido utilizado ampliamente en el procesamiento de alimentos para preservarlos y hacerlos seguros para su consumo. Sin embargo, la resistencia al calor de las células microbianas puede variar y una comprensión de los peligros microbiológicos comúnmente presentes en los alimentos es esencial. Generalmente hablamos de un perfil de temperatura y tiempo de 60°C durante 15 minutos como suficiente para eliminar hongos y levaduras. Las bacterias vegetativas son usualmente más resistentes, pero es poco probable que sobrevivan a temperaturas superiores a los 90°C. Las esporas bacterianas pueden presentar variaciones en su resistencia, y podrían requerirse temperaturas de 100°C y un tiempo que va desde 1 minuto a 20 horas. La siguiente tabla nos proporciona un ejemplo de esta variación.

 

Espora	Tiempo para eliminar a 100°C
Bacillus subtilis	15 – 20 minutos
Clostridium botulinum	100 – 330 minutos
Bacillus coagulan	> 1030 minutos

La tabla anterior nos proporciona una excelente visión acerca de la variación que podría existir cuando utilicemos un tratamiento térmico para controlar un peligro identificado con esporas. Asegurar que nuestro plan de control de inocuidad alimentara o HACCP es efectivo, requiere una identificación y análisis robusto de los peligros que claramente caracterice los patógenos específicos.

Combinación Tiempo / Temperatura

Cuando aplicamos un proceso térmico, se utilizan en combinación dos factores: Tiempo y Temperatura. La regla general que utilizamos es, a mayor temperatura, menor será el tiempo necesario para alcanzar un efecto específico, por ejemplo, la eliminación de células patógenas. En la siguiente tabla se utiliza como ejemplo el Clostridium botulinum en alimentos de baja acidez, para ilustrar esta regla.

 

Tiempo de Destrucción (Minutos)	Temperatura
330	100°C
2.52	121.1°C (Enlatado).
0.78	127°C (Esto en caso de sistemas de calor húmedo y no calor seco, en los cuales se requiere normalmente una temperatura alta debido a la diferencia de presión).

Métodos de preservación y tratamiento con calor

En la industria alimentaria utilizamos principalmente dos métodos de tratamiento y preservación con calor.

• Pasteurización.
• Esterilización comercial.

Estos métodos son seguidos usualmente seguidos por o la incorporación de la etapa de empacado. El alimento puede someterse a calor en el material de empaque o recibir el tratamiento previo su empaque, y posteriormente se utiliza empaque aséptico dada la sensibilidad de los alimentos. El producto puede ser empacado caliente o frío (Preferiblemente caliente, como en procesos de Hot Fill, o Hot Pack).

Pasteurización

La pasteurización es un proceso ampliamente utilizado por la industria de los alimentos, por las siguientes razones:

• Eliminación de patógenos.
• Para disminuir la carga microbiana en alimentos sensibles al calor.
• Para eliminar a los principales microorganismos de deterioro los cuales no son muy resistentes al calor.
• Para eliminar microorganismos de competencia.

A fin de mantener los efectos de la preservación, se pueden requerir métodos adicionales tales como refrigeración o tipos de empacado. La leche, por ejemplo, requiere una combinación de alta temperatura y poco tiempo (HTST, por sus siglas en inglés) de 71°C durante 15 segundos. De hecho, se utilizan tratamientos más rigurosos de manera industrial. Un método alternativo es aplicar 62.8°C durante 30 minutos. En todos los casos, se aplica posteriormente una temperatura reducida <6°C. en el caso de la nieve, se aplica un perfil HTST también, a 82.2°C durante 16 – 20 segundos. Otro método utilizado también es 71.1°C durante 30 minutos. La pasteurización es utilizada también para vinos, cervezas, jugos de frutas y frutas deshidratadas. En lo que respecta a las cervezas embotelladas, están limitadas por el punto de ebullición que es de 78°C.

Esterilización Comercial

La esterilización comercial es un tratamiento térmico el cual utiliza calor húmedo y temperaturas usualmente superiores a los 100°C. El objetivo principal es manufacturar un producto estable a temperatura ambiente por largos periodos de tiempo. Un número pequeños de esporas resistentes podría sobrevivir, pero no tendrían crecimiento bajo condiciones normales de almacenamiento para estos productos. Los materiales de empaque utilizados en estos métodos incluyen contenedores donde el alimento puede ser tratado directamente, como latas, vidrio, termoplásticos o Tetrapak® donde el alimento es calentado previo al empaque. La vida de anaquel del producto depende del material de empaque y en algunos productos enlatados puede ser de varios años.

La elección del proceso actual de tiempo y temperatura en un balance entre asegurar que se alcanza la inocuidad de los productos (Los microorganismos y las enzimas son inactivados) y que el color, sabor, textura y calidad nutricional se mantienen. Se debe conocer el rango de penetración de calor en el alimento. También debe conocerse la porción que se calienta más lentamente, así como el punto frío y que presenta la principal dificultad de términos de tratamientos térmicos.

Cálculo del Tiempo de Procesamiento Térmico para Productos Enlatados

Para este cálculo requerimos:

• Curva de tiempo de muerte térmica para los microorganismos que tengan la probabilidad de “Causar Problemas”, por ejemplo, el Clostridium botulinum.
• Conocimiento de los rangos de penetración de calor en la lata, especialmente el punto frío.

El rango de penetración de calor en el contenedor depende de:

• El material del contenedor.
• Tamaño y forma del contenedor.
• Temperatura inicial del alimento.
• Temperatura de retorta.
• Rotación y agitación del alimento en la retorta.
• Consistencia del contenido (Líquido, semi-líquido, puré, sólido).

El calor de convección es más eficiente que el calor de conducción. Este se alcanza por la convección natural o forzada (Movimiento de las latas). Los métodos incluyen cocinas hidrostáticas y enfriadores, los cuales pueden alimentar continuamente a la retorta.

El tiempo de muerte térmica (TDT, por sus siglas en inglés) debe calcularse y representa el número de minutos requeridos para destruir un número declarado de microorganismos a una temperatura específica. Si el número inicial de células o esporas es muy alto, se requerirá de más tiempo de exposición a esta temperatura para reducir el número de sobrevivientes a 1 por gramo. La siguiente tabla indica TDTs típicos para esporas de Clostridium botulinum.

 

Esporas de Clostridium botulinum	TDT a 100°C
72,000’000,000	240 minutos
32’000,000	110
16,400	50
328	40

 

Valor D – El Tiempo de Reducción Decimal

El Valor D es el tiempo requerido para eliminar el 90% de la población microbiana a una temperatura específica. Por ejemplo, el D a 121°C para las esporas de Clostridium botulinum es 0.21 minutos. Como una precaución segura se utiliza un tratamiento térmico 12-D para Clostridium botulinum en alimentos de baja acidez, es decir, calor suficiente para reducir 1012 esporas a una, o una espora por lata a una espora por 1012 latas. Para una cocción 12-D hacemos el siguiente cálculo: 12 * 0.21 minutos = 2.52 minutos. Como medida adicional, este resultado se redondea a tres minutos el cual es conocido como Cocción Mínima Botulínica (3 minutos a 121 °C).

Otros valores/parámetros encontrados en el procesamiento térmico incluyen el Valor Z. Este es el número de grados de temperatura requeridos para permitir una reducción de diez veces en el tiempo requerido. Es calculado estimando el valor de “D” de un organismo a un cierto rango de temperaturas. Esta información nos permitirá entonces calcular la resistencia térmica sobre un rango amplio de temperatura.

El Valor Fo es el valor de la esterilización y equivale D 121°C (log a – log b) minutos donde a=número inicial de células y b=número final de células. Veamos para Clostridium botulinum.

Ejemplo:

Valor Fo para el Clostridium botulinum

0.21 (Log ₁ – Log _10-12)=0.21*12=2.52 minutos.

El Valor Fo es la medición de la capacidad de un proceso térmico para eliminar microorganismos desde todos los puntos presentes en el contenedor del alimento.

IRRADIACIÓN DE ALIMENTOS

Este método emplea radiación de una fuente particular. Cuando los microorganismos son irradiados constantemente el número de sobrevivientes decae exponencialmente con el tiempo.

Luz Ultravioleta (UV).

Este método puede aplicarse para descontaminar:

• Aire (Es su uso más eficiente).
• Líquidos, por ejemplo, agua (Tiempo largo de exposición, caro, complejo).
• Superficies (Tiempo largo de exposición, uso limitado).
• Material de empaque cuando el calor es inadecuado, el material debe ser transparente a la luz UV o el empaque debe estar abierto.
• Alimentos sólidos con estructura muy delgada, por ejemplo, azúcar.

Hay un cierto número de desventajas utilizando luz UV. Tiene muy poca penetración, y puede causar oxidación de los lípidos y sus efectos son irreversibles.

Microondas

A diferencia de otras formas de radiación, las microondas actúan directamente sobre los microorganismos por la generación de calor a través de la oscilación de las moléculas de agua. Pueden permanecer ‘puntos fríos’ por lo que realizar un temperado es esencial. La radiación por microondas tiene una aplicación industrial limitada.

Radiación ionizante

Las fuentes de radiación ionizante incluyen rayos α, β y λ, y pueden incluir también el uso de electrones. Un ion es una partícula cargada la cual no es estable. Son altamente letales con un poder de penetración variable.

Irradiación de alimentos

La fuente de radiación es usualmente Cobalto-60. Los rayos λ son aplicados y tienen una vida media de 5 años con un 1% de pérdida mensual. Las unidades de radiación son medidas en Gray (Gy), donde 1 Gray = Absorción de 1 Joule/Kg. Entonces 1000 Gy = 1 KGy.

 

Objetivo	Dosis LetalKGy
Humano	0.005
Insecto	0.05
Salmonella	3 – 10
C. botulinum	10 – 45
Virus	10 – 50

La irradiación es utilizada en una amplia variedad de alimentos y empaques, con diferentes objetivos. La siguiente tabla resume algunas de las aplicaciones en alimentos.

 

Alimento	Objetivo	Dosis (Rango en KGy)
Papas	Inhibición de Brotes	0.1 – 0.2
Trigo	Desinfección	0.1 – 2.0
Frutas	Prolongación de Almacenamiento	2 – 5
Carne	Inactivación de Salmonella	3 – 10
Material de Empaque	Esterilización para uso en alimentos	10 – 25
Especias	Descontaminación	10 – 30

 

La irradiación de alimentos puede clasificarse de la siguiente manera.

 

Proceso	Descripción
Radurización (<10KGy)	Destruye muchos de los microorganismos de deterioro típicos.Destruye muchos patógenos (Por ejemplo, Salmonella). Generalmente reconocido como no perjudicial para el alimento. Permite la supervivencia de microorganismos de deterioro, patógenos y virus resistentes.
Radicidación	Término equivalente de la pasteurización de la leche. Elimina patógenos.
Radappertización (>10KGy)	Generalmente no recomendada para alimentos.Equivalente a la esterilización comercial (Por ejemplo, Tratamiento 12-D para C. Botulinum = 45KGy). Puede considerarse para especias donde la formación de esporas es un problema.

 

TRATAMIENTO DE ALTA PRESIÓN EN ALIMENTOS

En el procesamiento a alta presión se aplica una presión igual en todo el alimento (isostática). Los perfiles para una presión isostática fría a ambiente To incluyen 50 – 600 MPa. El tiempo del tratamiento puede variar desde 0.5 a 5 minutos. Se utilizan usualmente materiales de empaque con sello flexible. Las células vegetativas son generalmente muy sensibles a estos efectos. Las esporas son variables, pero pueden ser altamente resistentes bajo algunas condiciones. Los virus tienen alta tolerancia a la presión.

PRESERVACIÓN UTILIZANDO BAJA TEMPERATURA

La industria de los alimentos utiliza algunos métodos de baja temperatura para incrementar la preservación de alimentos perecederos.

 

Método	Rango de Temperatura
Refrigeración	4 – 7 °C
Helar	– 2 a 2 °C
Congelación	< 18°C

 

Las temperaturas arriba del punto de congelación generalmente resultan en tasas metabólicas en los que los microorganismos inhiben su crecimiento o lo realizan muy lentamente. Temperaturas inferiores al punto de congelación resultan en el paro de las actividades metabólicas. Las reacciones enzimáticas son dependientes de las temperaturas. Un incremento en la temperatura (Dentro de límites) podría llevar a una tasa de incremento y la disminución de la temperatura, logra el efecto contrario, desde luego. El cambio en la velocidad de reacción sobre un cambio de 10°C de temperatura se conoce como el coeficiente de temperatura (Q10). Generalmente, el Q10 de los sistemas biológicos es 2.

Generalmente los psicrófilos y psicrótofos son los problemáticos cuando se presenta el efecto de baja de temperatura. La temperatura mínima en la cual se ha encontrado que un microorganismo se reproduce es -34°C (Una especie de levadura). De presentarse la reproducción de algún microorganismo durante la congelación, ésta será extremadamente lenta. A continuación, se muestran algunas temperaturas mínimas en las cuáles se ha encontrado crecimiento de microorganismos.

 

Microorganismo	Rango mínimo de Crecimiento
Coliformes	– 2 a 10 °C
Salmonella y Estafilococos	6.7°C
C. Botulinum Tipo E	3.3°C
C. Botulinum Tipos A y B	10°C
Listeria Monocytogenes	-0.4°C

Almacenar alimentos a temperaturas inferiores a los 4°C generalmente previenen la reproducción de microorganismos patógenos, excepto, como vemos en la tabla, la Listeria Monocytogenes.

Los efectos del congelamiento en los microorganismos

El congelamiento de alimentos puede ocasionar mortalidad inicial inmediata y depende de la especie. Las células sobrevivientes mueren gradualmente y la tasa de mortalidad es más rápida a temperaturas inferiores al punto de congelación. Rara vez mueren todas las células. Los alimentos descongelados deben ser tratados como alimentos frescos en lo relacionado con la actividad de microorganismos. Las endosporas y las toxinas no son afectadas por las bajas temperaturas. Todos los alimentos congelados deben ser descongelados a 4°C de temperatura para reducir o prevenir el crecimiento microbiológico. La tasa de descongelamiento también afecta las células microbianas (Entre más rápido se descongele el alimento, es mayor el número de sobrevivientes). Un proceso repetitivo de congelado y descongelado afecta tanto al alimento como a las células microbianas. Puede ser un procedimiento peligroso si se presenta un tiempo adecuado para la reproducción de sobrevivientes.

EFECTOS ANTIMICROBIANOS DE LA DESHIDRATACIÓN DE ALIMENTOS

Los métodos típicos empleados incluyen el secado al Sol, secado mecánico, y secado por congelación. Ciertos métodos de preparación de alimentos pueden tener un efecto antimicrobiano (Por ejemplo, el pelado, adición de conservadores, cocción, remoción de la grasa, adición de azúcar u otros solutos, etc.). El contenido de humedad de los alimentos secos varía desde el 2 hasta el 5%, y los alimentos con una humedad intermedia van desde el 20 hasta el 50%, con una a_w = 0.60 – 0.85. El proceso de secado en sí mismo no elimina microorganismos. Se pueden eliminar algunos, pero pueden recuperarse si estaban presentes en el alimento antes de que se aplique el proceso de secado. La mayoría de las bacterias y las levaduras requieren una a_w > 0.90 para su reproducción. Usualmente, los alimentos secos no son susceptibles al deterioro. S. aureus es el más xerotolerante de los patógenos (Se reproduce con una a_w de 0.86). La rehidratación (Ya sea por adición de agua u otros ingredientes húmedos) permite a los microorganismos presentes reiniciar su proceso de reproducción.

PRESERVACIÓN QUÍMICA

Hay muchas sustancias capaces de inhibir, retardar o detener la reproducción de los microorganismos o el deterioro causado por ellos. Los preservativos químicos pueden también mejorar la calidad organoléptica de los alimentos. Los efectos de los preservativos químicos dependen del tipo de sustancia química, concentración utilizada, características del alimento y tipo, número e historia previa del microorganismo en el alimento.

 

Preservativo Químico	Modo de Acción	Actividad Antimicrobial
Propionatos	Afecta la transferencia de aminoácidos en la célula.	Fungistático.
Sorbatos	Afecta la transferencia de aminoácidos en la célula.	Fungicida (Hongos y Levaduras).Algunos efectos en bacterias. Mayor eficiencia con pH bajo. Utilizado en combinación con NO2 contra Clostridium y S. aureus en carnes curadas.
BenzoatosParabenos	Afecta la transferencia de aminoácidos en la célula.	Fungicida (Hongos y Levaduras).Mayor eficiencia con pH bajo. Algunos efectos en bacterias (Las Gram + son más susceptibles).
SulfatosDióxido de Azufre (SO2) Sulfito (=SO3) Bisulfito (-HSO3) Metabisulfito (S2 O5)	No está claro. Interfiere con las enzimas y también con los antioxidantes.	Amplio uso como preservativos.Es el preservativo más reactivo permitido. Fungicida (Hongos y Levaduras). Efectos bacterianos. Se percibe su sabor en concentraciones mayores a 500 ppm.
Nitritos	No está claro. Interfiere con la disponibilidad de hierro, funciones de la membrana y otras funciones metabólicas.	Utilizados principalmente para prevenir C. botulinum en productos de carne curada (-2 a 2°C).