ESTUDIO DE LA PENETRACIÓN DE CALOR EN ALIMENTOS PROCESADOS EN SISTEMAS DE ESTERILIZACIÓN ROTATORIOS. Abril, J. y Casp, A.

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1 ESTUDIO DE LA PENETRACIÓN DE CALOR EN ALIMENTOS PROCESADOS EN SISTEMAS DE ESTERILIZACIÓN ROTATORIOS Abril, J. y Casp, A. Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Pública de Navarra. Campus Arrosadía.- Pamplona (España) jabril@unavarra.es Palabras clave: Esterilización térmica, autoclave, rotación tapa-fondo-tapa RESUMEN La industria agroalimentaria dispone de sistemas de esterilización por cargas (autoclaves) que trabajan en procesos estáticos y con agitación tapa-fondo-tapa. De los sistemas con agitación se encuentran muy pocos datos en la bibliografía, y algunos de ellos contradictorios. En el presente trabajo se ha estudiado la penetración de calor en tres productos envasados en tarros de vidrio: un líquido de alta viscosidad (tomate triturado) en el que no se forman corrientes de convección naturales durante el tratamiento térmico y dos alimentos sólidos envasados con distinta proporción de líquido de gobierno (cardo y pimiento del piquillo) para comprobar en cada caso como afecta la agitación a la velocidad de penetración del calor. Se ha comprobado que para el líquido de alta viscosidad y para el sólido con poca proporción de líquido de gobierno se incrementa de forma significativa la velocidad de penetración del calor mediante la rotación. Sin embargo no ocurre lo mismo para el sólido en mayor proporción de líquido de gobierno, al contrario de lo publicado por algunos autores en la bibliografía. INTRODUCCIÓN: La industria agroalimentaria dispone de sistemas comerciales de esterilización en los que se puede incrementar la velocidad de penetración de calor aplicando distintos sistemas de rotación a los envases. Los más utilizados son los de rotación axial y tapafondo-tapa. La rotación axial es la utilizada en los sistemas de esterilización continuos de envases cilíndricos colocados en posición horizontal. La rotación tapa-fondo-tapa se emplea en los sistemas de esterilización por cargas (autoclaves), en los que los envases cilíndricos se colocan en posición vertical en jaulas que se hacen girar haciendo que el espacio de cabeza pase de la tapa al fondo y vuelva otra vez a la tapa, en cada giro, dando así nombre al sistema. En la bibliografía se pueden encontrar un número importante de trabajos que estudian el tratamiento térmico de alimentos en sistemas de agitación axiales empleando como fluido calefactor vapor de agua saturado. En este caso la mayoría de los ensayos se han realizado en el equipo de laboratorio Steritort, desarrollado por FMC para simular el tratamiento térmico en sus esterilizadores continuos Sterilmatic y Orbitort (Berry y col.,

2 1979 y 1985; Berry y Bradshaw, 1980, 1982 y 1986; Berry y Dickerson, 1981; Berry y Kohnhorts, 1985; Bichier y col., 1995). No ocurre lo mismo con la agitación tapa-fondo-tapa que, sin embargo, es la que, aparentemente, aplica a los envases un efecto de giro más enérgico. Naveh y Kopelman (1980) encuentran que, cuando se tratan alimentos líquidos de alta viscosidad, el coeficiente global de transmisión de calor es mayor en procesos con agitación tapafondo-tapa que con agitación axial de eje fijo. Sin embargo ocurre el caso contrario cuando se utiliza agitación axial de eje libre, como demuestran también Dwivedi y Ramaswamy (2010). Se han publicado resultados utilizando como fluido calefactor mezcla vapor-aire (Ali y col., 2006), inmersión en agua (Naveh y Kopelman, 1980) y lluvia de agua de agua sobrecalentada (Van Loey y col., 1994). En todos los sistemas, y para todos los productos recogidos por la bibliografía, con la agitación se consigue una mejora en la velocidad de penetración del calor. Esta mejora es mayor para productos de baja viscosidad que para los de alta (Berry y Kohnhorts, 1985; Berry y col., 1985). El efecto de la agitación es función de la consistencia del alimento y para que sea apreciable en los productos de alta viscosidad se debe incrementar la velocidad de giro (Berry y Bradshaw, 1979 y 1980). Tucker (2004) advierte que velocidades superiores a 15 r.p.m. pueden presentar problemas mecánicos importantes cuando se trabaja con autoclaves industriales. Según varios autores, la mejora en la velocidad de penetración del calor es muy grande cuando se tratan sólidos de pequeño tamaño sumergidos en líquido de gobierno de baja viscosidad (Berry y Dickerson, 1981; Berry y Bradshaw, 1982), pero es muy limitada cuando el envase contiene sólidos de gran tamaño (Ali y col., 2006). Meng (2007) demuestra que el movimiento del contenido del envase (alimento sólido y líquido de gobierno) es función de la viscosidad del líquido, que dependerá de la temperatura de procesado. Para los líquidos de alta viscosidad la transmisión de calor entre sólido y líquido se aproxima más a un mecanismo de conducción que a uno de convección. La agitación mediante un sistema de rotación tapa-fondo-tapa consigue reducir el tiempo total de procesado para alcanzar la misma intensidad de tratamiento que en los procesos estáticos, por ello se consiguen ahorros energéticos y mejoras en la calidad organoléptica y nutricional de los alimentos tratados (Ali y col., 2006; Ali y col., 2007; Garrote y col., 2008). En el presente trabajo se ha estudiado la penetración de calor en tres productos envasados en tarros de vidrio: un líquido de alta viscosidad (tomate triturado) en el que no se forman corrientes de convección naturales durante el tratamiento térmico y dos alimentos sólidos envasados con distinta proporción de líquido de gobierno (cardo y pimiento del piquillo) para comprobar en cada caso como afecta la agitación a la velocidad de penetración del calor. MATERIALES Y MÉTODOS: Los tratamientos térmicos se han realizado en un autoclave piloto Micro-Marr (H.J.M. Marrodán, Lodosa), que trabaja con ducha de agua sobrecalentada. El proceso se controla por medio de un autómata programable con el que se fijan las condiciones de trabajo:

3 Subida de la temperatura: 4ºC por minuto Temperatura de proceso: 115ºC Presión: 1,5 bar Temperatura del agua de enfriamiento: 17-20ºC Giro a 5 r.p.m.. Las temperaturas de recinto y del interior de los envases se registran, cada 10 segundos, mediante un data logger Ellab Tracsense de dos sondas PT-100 una de ellas de penetración, situada en el centro térmico del envase y la otra situada de forma que tome la temperatura del agua de proceso. Productos: Tomate triturado envasado en taro de vidrio de 0,0784 m de diámetro y 0,175 m de altura, con un espacio en cabeza de 10 mm. Cardo troceado envasado en tarro de vidrio de 0,0784 m de diámetro y 0,175 m de altura. Peso neto: 660 g; peso escurrido 400 g. Pimiento del piquillo entero, envasado en tarro de vidrio de 0,0847 m de diámetro y 0,1052 m de altura. Peso neto: 430 g; peso escurrido: 410 g. RESULTADOS: En la figura 1 pueden verse las curvas de penetración de calor para el tomate triturado en proceso estático y con rotación tapa-fondo-tapa. La forma de dientes de sierra de la grafica del tomate con rotación demuestra que la temperatura en el punto de medida (centro geométrico del envase) presenta variaciones debidas a la mezcla enérgica de productos a temperaturas distintas. Y es precisamente esta acción de mezcla la que consigue incrementar de forma significativa la velocidad de penetración de calor. Temperatura (ºC) Recinto Giro Estático Figura 1: Efecto de la rotación tapa-fondo-tapa en el tratamiento térmico del tomate triturado En la tabla 1 se recogen los resultados medios de las tres repeticiones realizadas para los procesos estático y con rotación. Se observa que el factor de penetración de calor (Fh) es significativamente mayor para el proceso estático, lo que era de esperar viendo las diferencias de pendiente de las curvas. La difusividad térmica aparente (α) es sensiblemente mayor para el proceso con rotación como también lo son el efecto esterilizador (Fo) y el de cocción (Co) conseguidos.

4 Tabla 1: Comparación de los resultados para el tomate triturado Fh α (m 2 /s) Fo Co Estático E Rotación E En la figura 2 pueden verse las curvas de penetración de calor para el cardo en proceso estático y con rotación tapa-fondo-tapa. Como en el caso del tomate triturado, también se observan los dientes de sierra característicos de los procesos con agitación, pero en esta ocasión las curvas obtenidas pueden superponerse sin admitir con ello ningún error. Es decir, en este caso la agitación no ha tenido ningún efecto práctico sobre la velocidad de penetración de calor. La proporción de líquido de gobierno que acompaña al cardo y la posición vertical de los envases durante el procesado permiten la formación de corrientes de convección entre las porciones de cardo que facilitan la penetración de calor y que no mejoran cuando se aplica la agitación tapa-fondo-tapa. Temperatura (ºC) Recinto Estático Figura 2: Efecto de la rotación tapa-fondo-tapa en el tratamiento térmico del cardo Giro En la figura 3 pueden verse las curvas de penetración de calor para el pimiento entero en proceso estático y con rotación tapa-fondo-tapa. Temperatura (ºC) Recinto Estatico Giro Figura 3: Efecto de la rotación tapa-fondo-tapa en el tratamiento térmico del pimiento entero

5 Para este producto vuelve a ser efectiva la agitación aplicada. La comparación de los resultados numéricos para factor de penetración de calor (Fh), difusividad térmica aparente (α), efecto esterilizador (Fo) y efecto de cocción (Co) se muestra en la tabla 2. Tabla 2: Comparación de los resultados para pimiento entero Fh α (m 2 /s) Fo Co Estático E Rotación E La efectividad de la agitación para este caso, alimento sólido en muy poca proporción de líquido de gobierno, es similar a la alcanzada para un líquido viscoso (tomate triturado). En el proceso estático, y pese a que los envases se colocan en posición vertical, los pimientos enteros no permiten la aparición de corrientes de convección que faciliten la transmisión de calor. Por lo tanto el conjunto se comporta como un sólido, el mecanismo de transmisión de calor es puramente conductivo. Cuando la agitación obliga a circular al líquido de gobierno entre los pimientos, la penetración de calor mejora de forma evidente. Para el caso del pimiento entero la reducción de tiempo de proceso asociada a la agitación produciría también resultados significativos en la textura del producto esterilizado. En la tabla 3 se pueden ver la reducción de tiempo conseguida al aplicar la rotación a un procesado de pimientos con un efecto esterilizador suficiente para que se preserve la salud pública (Fo=3,7) y la reducción de efecto de cocción que se consigue en estas condiciones. Se han reducido 23 minutos en el tiempo total de proceso y se ha reducido en 15 unidades el efecto de cocción, lo que permitiría ajustar la textura a la exigida por el mercado. Tabla 3: Efecto de la agitación en la esterilización de pimiento entero Fo Co Mantenimiento Total Estático 3,73 85, Rotación 3,75 70, CONCLUSIONES La utilización de la agitación tapa-fondo-tapa para mejorar la velocidad de penetración de calor en los procesos de esterilización es eficaz para los casos en los que de forma natural no se producen corrientes de convección en el interior de los envases, ya sea por la viscosidad de los fluidos o por que el tamaño de los sólidos y la proporción de fluidos no lo permita. En el caso de líquidos de baja viscosidad o de sólidos en líquido de gobierno que permitan la libre circulación del fluido no se encontrarán diferencias que justifiquen su empleo.

6 BIBLIOGRAFÍA Ali, A.A.; Sudhir, B. y Gopal, T.K.S. (2006) Effect of rotation on the heat penetration characteristics of thermally processed tuna in oil in retort pouches. Int. J. Food Sci. Technol. 41, Ali, A.A.; Sudhir, B. Mallick, A.K. y Gopal, T.K.S. (2007) Effect of rotation on process time of thermally processed mackerel in oil in aluminium cans. J. Food Proc. Eng. 31, Berry, M.R. y Bradshaw, J.G. (1980) Heating characteristics of condensed cream of celery soup in a Steritort: heat penetration and spore count reduction. J. Food Sci. 45, y 879. Berry, M.R. y Bradshaw, J.G. (1982) Heat penetration for sliced mushrooms in brine processed in still and agitating retorts with comparisons to spore count reduction. J. Food Sci. 47, Berry, M.R. y Bradshaw, J.G. (1986) Comparison of sterilization values from heat penetration and spore count reduction in agitating retorts. J. Food Sci. 51, Berry, M.R. y Dickerson, R.W. (1981) Heating characteristics of whole kernel corn processed in a Steritort. J. Food Sci. 46, Berry, M.R. y Kohnhorst, A.L. (1985) Heating characteristics of homogeneous milkbased formulas in cans processed in an agitating retort. J. Food Sci. 50, y 253. Berry, M.R.; Bradshaw, J.G. y Kohnhorst, A.L. (1985) Heating characteristics of ravioli in brine and in tomato sauce processed in agitating retorts. J. Food Sci. 50, Berry, M.R.; Savage, R.A. y Pflug, I.J. (1979) Heating characteristics of cream-style corn processed in a Steritort: effects of headspace, reel speed and consistency. J. Food Sci. 44, Bichier, J.G.; Teixeira, A.A.; Balaban, M.O. y Heyliger, T.L. (1995) Thermal process simulation of canned foods under mechanical agitation. J. Food Proc. Eng. 18, Dwivedi, M. y Ramaswamy, H.S. (2010) Comparison of heat transfer rates during thermal processing under en-over-end and axial modes of rotation. Lebensmittel-Wissenschaft und-technologie, 43, Garrote, R.L.; Silva, E.R., Roa, R.D. y Bertone, R.A. (2008) Kinetics parameters of surface color degradation of canned fresh green peas sterilized in a rotary retort. Lebensmittel-Wissenschaft und-technologie, 41, Meng, Y. y Ramaswamy, H.S. (2006) Visualization of particle/liquid movements in high viscous fluids during end-over-end rotation.j. Food Eng. 80, Naveh, D. y Kopelman, I.J. (1980) Effect of some processing parameters on the heat transfer coefficients in a rotating autoclave. J. Food Process. Preserv. 4, Simpson, R.; Abakarov, A.; Almonacid, S. y Teixeira, A. (2008) Impact of overall and particle surface heat transfer coefficients on thermal process optimization in rotary retorts. J. Food Sci. 73, Tucker, G.S. (2004) Improving rotary thermal processing. En Improving the thermal processing of foods. Richardson, P. edit. Woodhead Publishing, Cambridge

7 Van Loey, A.; Fransis, A.; Hendrickx, M.; Maesmans, G.; de Noronha, J. y Tobback, P. (1994) Optimizing thermal process for canned white beans in water cascading retorts. J. Food Sci. 59,