5. Barreras Físico-Químicas
Actividad de agua (aw) Es la relación entre la presión de vapor del agua del alimento y la del agua pura a la misma temperatura. La aw influencia el crecimiento, la resistencia y la supervivencia de microorganismos y la tasa de reacción de la mayoría de los procesos de degradación de la calidad. En general, las bacterias son menos tolerantes a una aw reducida que las levaduras y especialmente los mohos. La aw puede ser reducida por deshidratación o por adición de solutos como sal, azúcar, etc y bajando la temperatura. Muy pocos microorganismos y ningún patógeno crece a aw menor que 0,7. Se suele combinar la aw con otras barreras, en alimentos secos puede ser única barrera. Normalmente es necesario un envase que actué como barrera contra el vapor de agua
PH En alimentos crudos (sin procesar), el descenso del pH aumenta la estabilidad microbiológica. Esto se logra naturalmente por fermentación o artificialmente por adición de acidulantes como ácidos orgánicos débiles. La mayoría de los microorganismos no crecen por debajo de un pH mínimo especificado, pero un pH tan bajo como para que no crezcan microorganismos produce perdida de la calidad del alimento. Generalmente se combina pH con envasado y aditivos como Na Cl, ácidos orgánicos y refrigeración o calentamiento.
Generalmente se combina pH con envasado y aditivos, entre otros. Potencial redox (Eh) Indica el potencial de oxidación o reducción de un sistema alimenticio y se expresa en mV. En general, los alimentos tienen un valor Eh (a pH 7)entre +300 y –200 mV. El Eh de un alimento esta influenciado por la eliminación de aire (O2 ), la exclusión de luz, la adición de sustancias reductoras (ac. ascórbico, sacarosa, etc), el crecimiento de bacterias, la presencia de nitrito, la temperatura y especialmente el pH. El Eh determina el crecimiento de microorganismos aerobios (Por ej. Pseudomonas) o anaerobios (Por ej. Clostridia) e influencia el color y flavor del alimento. Se usa en combinación con el curado, refrigeración, envasado, etc.
Sal (NaCl) La adición de sal tiene como principal efecto la reducción de aw, pero tiene por sí misma efecto bacteriostático. Actualmente se prefieren alimentos con bajo contenido de sal, por lo que debe ser combinada con otras barreras. El curado es el proceso de la adición de NaCl y otros ingredientes como nitrito. Un producto estable debe contener al menos 27 g sal / 100 g agua (aw < 0,7) para inhibir el crecimiento y formación de toxina de Clostridium Botullinum tipo E en pescados a 15°C, debe haber al menos 4,5 g sal / 100 g agua. El curado se suele combinar con barreras de envasado, refrigeración, ahumado, etc.
Nitrito (NaNO2) En el curado de carne casi siempre la sal se usa combinada con nitrito (o nitrato). Al nivel usado comercialmente (y permitido por la legislación) inhibe el crecimiento de unos cuantos microorganismos, dependiendo de la concentración, tipo de organismo, etc. Un aspecto muy importante es que el nitrito es mas bien efectivo contra bacterias esporo formadoras, especialmente clostridia. El efecto del nitrito es mayor en procesos donde se lo calienta junto con la carne donde aparentemente se forma un compuesto especifico antibotulinico mas o menos identificado. Esta actividad antibotulinica se debe a la inhibición de ciertas enzimas no – hemo, [Fe – S] . También se usa para dar a los productos cárnicos curados un color rosado, pero además mejora el flavor y puede prevenir o disminuir los off-flavors. Siempre se combina con otras barreras.
Nitrato (NaNO3 o KNO3) Su efecto es muy limitado y se debe a una pequeña reducción de la aw , pero en muchos productos, especialmente carnes, fue usado como "reserva" de nitrito, dado que las bacterias reducen el nitrato a nitrito. Tiene un efecto muy limitado y siempre se usa en combinación con otras barreras, especialmente sal.
CO2Esta presente en la atmósfera a una concentración de aproximadamente 0,03%. Una concentración mayor reduce la velocidad de muchos procesos de degradación de calidad en alimentos, y a una concentración mayor del 20%, el crecimiento de la mayoría de las bacterias alteradoras es reducido o inhibido. Por esto en envasado en atmósfera modificada de la mayoría de los alimentos que no respiran, se usa una concentración de CO2 mínima del 20 %. En alimentos que respiran, un aumento de la concentración de CO2 reduce la respiración y así aumenta la vida útil. Una concentración muy alta, resulta en desordenes en la calidad de la mayoría de frutas y vegetales pero el limite critico (8 – 12 %) es distinto para distintos productos. La solubilidad del CO2 aumenta drásticamente con temperaturas más bajas, hasta el punto de congelación del alimento. Se combina con envasado y refrigeración.
O2Presente en la atmósfera a una concentración de aproximadamente 21%. La mayoría de los organismos (incluyendo humanos) prefieren dicha concentración, y en la practica una disminución en la concentración de O2 puede ser considerada como una barrera. A bajas concentraciones de O2 el crecimiento de la mayoría de los microorganismos (pero no de todos) es reducido o inhibido, el nivel de respiración de los alimentos que respiran disminuye y se reduce la velocidad de muchos procesos de la degradación de la calidad (oxidación). Así, la ausencia de O2 debería mejorar la calidad y seguridad. De todos modos, este no es el caso para los productos que respiran y para las carnes refrigeradas expuestas a la venta al por menor, el O2 es necesario para mantener un color rojo brillante. En alimentos donde puede crecer Clostridium Botulinum algunas autoridades consideran las condiciones anaeróbicas como un riesgo para la salud. Se combina con otras barreras, especialmente refrigeración y a menudo también envasado
Ozono Es un gas soluble en agua con poderosas propiedades oxidantes. Cuando se lo expone al agua, se descompone rápidamente a O2 , y esto limita su uso. También lo afecta la temperatura, el pH y la materia orgánica presente. El efecto letal en microorganismos se debe a la fuerte actividad oxidante, probablemente apuntando a Aminoácidos, ARN y ADN. El tratamiento con ozono destruye particularmente bacterias Gram – . Mohos y levaduras son mas resistentes que las bacterias y para la destrucción de esporas se requiere una muy alta concentración de ozono. Hay unas cuantas aplicaciones del ozono en la industria alimenticia. La esterilización de especias requiere 30 – 135 g / m, para reducir la microflora en carne de aves se requiere 2,3 g m y para saneamiento del aire en cuartos de almacenamiento refrigerado para carnes, se considera apropiada una concentración de ozono de 0,3 g / m El ozono nunca debe usarse para alimentos susceptibles a la rancidez y otras reacciones de deterioro de calidad causadas por la oxidación. En muchos países hay limites legales para la máxima concentración de ozono en áreas de trabajo, nunca se usa como única barrera.
Ácidos orgánicos y sus sales Los ácidos orgánicos o sus sales se usan para ayudar a la preservación de una amplia variedad de alimentos. En la mayoría de los países el tipo y cantidad de ácido orgánico es controlado por las agencias gubernamentales y las cantidades permitidas suelen ser pequeñas en comparación con las cantidades presentes naturalmente en frutas y productos fermentados. Los ácidos de cadena corta como el acético, benzoico, cítrico, láctico, propiónico y sórbico y sus sales son los mas comúnmente usados. La principal responsable de la actividad antimicrobiana es la molécula no disociada. Generalmente los ácidos orgánicos son más efectivos en alimentos con pH menor a 5,5, aunque los alquilésteres del ácido parahidroxibenzóico tienen efecto en alimentos con pH cercano a 7 y los ácidos propiónico y sórbico tienen efecto en alimentos con pH 6 a 6,5. Los ácidos orgánicos difieren en sus efectos contra mohos, levaduras y bacterias. Muchas combinaciones de ácidos orgánicos y otras barreras son sinérgicos.
- Ácido Láctico, Lactato: es considerado el ácido menos efectivo como conservante, afecta a distintas bacterias patógenas; inhibe bacterias esporoformadoras a pH 5 e inhibe el crecimiento de levaduras acido-tolerantes, y en algunos casos inhibe la formación de micotoxinas.
- Ácido Acético, Acetato: se usa ampliamente como conservante. Su modo de actuar es idéntico al de los otros ácidos. Su habilidad inhibitoria generalmente se considera mejor contra las bacterias que contra los mohos y levaduras. Su alto pKa hace muy importante considerar el pH del alimento dado, al evaluar el efecto de la adición de acetato por razones de conservación. En carnes, el acetato es efectivo contra Listeria monocytogenes y otros patógenos
- Ácido Ascórbico e Isoascórbico: tienen varios efectos en los alimentos. En algunos, pueden actuar sinergeticamente con nitrito para inhibir el crecimiento celular. En carnes curadas envasadas, incrementan el efecto anti-clostirico del nitrito. En carne fresca envasada en atmósfera modificada, el ascorbato puede actuar como antioxidante, estabilizador del color. En otros alimentos, puede actuar como antioxidante o sinérgico en presencia de otros antioxidantes. El ácido ascórbico también se usa para reducir el pH. Se combinan con otras barreras.
Sulfito (SO2): Las fuentes de SO2 son sales disueltas. Es un aditivo multifuncional:
- Antioxidante: previene oxidación, minimiza los cambios de color y estabiliza la vitamina C.
- Inhibidor Enzimático: inhibe reacciones químicas y enzimáticas como el pardeamiento
- Inhibidor de la Reacción de Maillard: previene el pardeamiento no enzimatico
- Agente reductor: Modifica la reologia de la harina
Agente antimicrobiano: Inhibe el crecimiento de mohos y levaduras en productos de bajos pH y a, e inhibe bacterias Gram-negativas en alimentos con altos pH y a. Principalmente se lo aplica en vegetales, frutas y bebidas. Su reactividad es muy alta, pero durante el almacenamiento y procesamiento (térmico) hay grandes perdidas. Se lo combina con otras barreras.
Ahumado: Se lo usa para dar color y sabor a carnes. Es un efectivo medio para inhibir el crecimiento indeseado de mohos. Durante este proceso al reducirse la aw por secado de superficie, se reduce el numero de bacterias. Igualmente importante es que el ahumado natural contiene una variedad de compuestos orgánicos, especialmente los fenólicos, con efectos antimicrobianos y/o antioxidantes estos compuestos se absorben en la superficie del producto y contribuyen a la preservación. Se lo combina siempre con otras barreras, especialmente curado, refrigeración y envasado.
Fosfatos: Polifofatos y Pirofofatos. Se usan como aditivos en varios alimentos, principalmente para mejorar la capacidad de unión del agua. Pueden incrementar el pH. Algunos tienen actividad antimicrobiana y algunos tienen efecto antioxidante. Se combinan con otras barreras.
Glucono--Lactona (GDL): Se hidroliza lentamente a ácido glucónico, reduciendo el pH, lo que da ventajas durante el proceso y también contribuye a la seguridad y estabilidad. Se combina con otras barreras.
Fenoles: Se usan para prevenir o reducir el deterioro oxidativo de los alimentos. Algunos (BHA, BHT, TBHQ) tienen efecto antimicrobiano especialmente en combinación con otras barreras, no pueden actuar como única barrera y se los combina para reducir el deterioro de calidad.
Agentes Quelantes: Se los usa por sus propiedades antioxidantes, principalmente por su habilidad para eliminar los efectos pro-oxidativos de los metales. Algunos están presentes naturalmente en los alimentos, pero los más comúnmente usados son citratos, lactatos, pirofosfatos y EDTA. No se los considera antimicrobianos por si mismos, pero pueden potenciar a otros agentes antimicrobianos. No se usan como única barrera
Agentes para tratamientos de superficie Este grupo incluye sustancias que inhiben el crecimiento de mohos. El difenilo y o-fenilfenol están autorizados para ser usados sobre las cáscaras de frutas cítricas, estos conservantes deben ser la única barrera extrínseca para frutas cítricas.
Etanol Fue propuesto como un controlador de la atmósfera dentro del envase o como una fuente de vapor en alimentos envasados. Fue presentado, en varios papers y patentes, para incrementar la duración del pan, la pizza, los productos de panadería y las pastas rellenas. Inhibe el crecimiento microbiano, mata las células o bloquea la glucólisis y su metabolismo. Desde el punto de vista químico, el etanol puede ser considerado como un análogo al agua. En mezclas de etanol y agua, la hidrólisis del etanol compite con la del agua durante la formación de puentes de hidrogeno. Afecta las propiedades del agua, de hecho se lo conoce por su fuerte capacidad de reducción de la aw (disminuyendo la actividad celular). A su vez, también compite con otras moléculas como las proteínas.
En los alimentos puede estar presente como:
- Un producto de fomentación en bebidas alcohólicas o alimentos fermentados.
- Un ingrediente en dulces (bombones, etc).
- Un residuo luego de la cocción en producto de panadería con levadura fermentada.
- Un aditivo (cuando se lo permite) en alimentos de humedad intermedia.
En general se requieren alta concentraciones para inhibir el crecimiento microbiano, matar células o bloquear la glucólisis y el metabolismo, pero altas concentraciones cambian la naturaleza física del medio ambiente acuoso. La concentración efectiva varia con el tipo de microorganismo y las condiciones del medio. En muchos casos el principal daño lo causa en la membrana celular, aunque claramente afecta las propiedades de todas las moléculas biológicas en algún grado. Es la única barrera en bebidas espirituosas y licores. También se lo combina con otras barreras.
Propilenglicol Es un humectante que puede usarse para reducir la aw en alimentos de humedad intermedia (IMF). Puede tener algún efecto antimicrobiano y se usa para inhibir mohos. Nunca se usa como única barrera; además en mucho países su uso esta prohibido.
Especias y Hierbas Muchas tienen propiedades antioxidantes y/o antimicrobianas que pueden contribuir a la estabilidad y seguridad de los alimentos. Sus componentes más activos parecen ser los compuestos fenólicos y los aceites esenciales. De todos modos la concentración de especias y levaduras necesaria para que actúen como antimicrobianas es mucho mayor que la concentración organolépticamente aceptable por los consumidores. No se usa como única barrera
Lactoperoxidasa Es un sistema natural cuya actividad antimicrobiana se debe a la formación de hipotiocianato de corta vida y posiblemente otros compuestos antimicrobianos por la oxidación de tiocianato en presencia de H2O2. En la leche de vaca, el sistema puede activarse por la adición de carbonato de sodio, peroxihidrato y trocianato de sodio. No se usa como única barrera.
Lisozima: Es un sistema enzimático natural en animales que puede retardar el crecimiento microbiano, y se lo usa comercialmente para control de la fermentación láctica. No se lo usa como única barrera.
6. Barreras de Origen Microbiano
Flora competitiva El ejemplo más llamativo es la fermentación, en la cual el crecimiento "espontáneo" de los distintos tipos de microorganismos puede cubrir al alimento completamente y por su mera magnitud, ayudada por factores extrínsecos o intrínsicos relacionados con el alimento en cuestión, puede detener o inhibir el crecimiento de otros microorganismos. No se usa como única barrera.
Cultivos Iniciadores (starters) Alimentos tradicionales conservados con la ayuda de microorganismos incluyen productos lácteos, vegetales, vino, etc. Las bacterias ácido lácticas son particularmente apropiadas en la conservación de alimentos ya que reducen el pH, actúan como antagonistas o producen metabolitos antimicrobianos (por ejemplo, bacteriocinas). Casi siempre se lo combina con otras barreras. Antibióticos: Generalmente el uso de antibióticos de amplio espectro esta prohibido en alimentos. Se ha probado un amplio rango de sustancias parecidas a los antibióticos, pero solo unas pocas están permitidas y se usan. No se permite su uso como única barrera.
Antibióticos Generalmente el uso de antibióticos de amplio espectro esta prohibido en alimentos. Se ha probado un amplio rango de sustancias parecidas a los antibióticos, pero solo unas pocas están permitidas y se usan. No se permite su uso como única barrera. Bacteriocinas: Aplicación Potencial en la Preservación de los Alimentos Los BACTERIOCINAS son pequeñas proteínas producidas por algunas bacterias. Día a día crece la duda sobre la seguridad de los conservantes químicos tradicionales, como el nitrito y el propionato, se esta desarrollando un nuevo interés en los conservantes naturales como los Bacteriocinis. Los BACTERIOCINAS tienen una acción bacterial contra un limitado rango de organismos. Producen Escherichia Coli y Staphylococus aureus, que no son utilizables para aplicaciones de comida. La más interesante fuente de BACTERIOCINAS es la bacteria del ácido láctico (LABs), usada para la fermentación de alimentos. El hecho de que los productos fermentados contengan naturalmente estos microorganismos, y sean consumidos sin ningún efecto negativo para la salud, significa que las LABs son considerados organismos seguros. La preservación por métodos naturales se ha vuelto el gran desafío para la industria de los alimentos. Todos los alimentos pueden ser procesados usando métodos físicos que los vuelven microbilogicamente sanos. Sin embargo, esos alimentos son invendibles porque los consumidores prefieren el flavour natural y fresco. A pesar de su gran potencial, el uso de BACTERIOCINAS es negligente en comparación a los aditivos químicos. El rango de actividad antimicrobial es estrecho y no se extiende hacia la Gram-negativa, que suele ser la primera causa del envenenamiento por comidas. Dadas las limitaciones anteriores, la biopreservación es la llave natural hacia el futuro; pero en la actualidad no es frecuente la utilización de este método.
Hay barreras que no han sido muy usadas y cuyo efecto es mas bien incierto.
Monolaurina Es un éster del ácido láurico con propiedades emulsionantes y un amplio espectro antimicrobiano contra bacterias Gram positivas, mohos y levaduras.
Ácidos Grasos Libres Según el grado de saturación y el largo de la cadena, algunos tienen efecto inhibidor de bacterias. Para las concentraciones que se requieren para este efecto hay cambios organolépticos detectables. Citosano: es un polisacárido de alto peso molecular que inhibe significativamente el crecimiento de ciertos hongos.
Cloros Los más usados son los hipocloritos. Se usan como desinfectados. En algunos países no se permite el contacto de soluciones cloradas con productos crudos, en otros, el cloro residual, luego del procesamiento y envasado, debe estar por debajo de un nivel máximo.
Citosano Es un polisacárido de alto peso molecular que inhibe significativamente el crecimiento de ciertos hongos. Deshidratación Osmótica y Revestimiento Comestible La deshidratación osmótica y el revestimiento comestible representan dos formas de aplicar la tecnología de barreras a los alimentos sólidos sin afectar su integridad estructural. La primera, deshidratación osmótica, es directa; consiste en impregnar trozos de comida en soluciones altamente concentradas. La segunda, revestimiento comestible, es menos usada y consiste en poner una capa superficial, comestible, que tiene una alta concentración de alguna sustancia conservante, por ejemplo, agentes antihongos y antioxidantes.
Reacción de Maillard Las propiedades antioxidantes de Maillard son reconocidas por varios autores por su habilidad para desacelerar la oxidación de los lípidos, también inhibe la actividad enzimática. Los productos intermediarios de esta reacción pueden ser el dióxido de carbono y el agua, los productos finales son polímeros. El producto de la reacción de Maillard afecta al color, al flavor y a otras propiedades físico-químicas de los alimentos.
Conservación de alimentos por Ultra Alta Presión (UHP) La técnica Ultra Alta Presión, (Ultra High Pressure, UHP) se usa como técnica de preservación. Una ventaja es que puede inactivar ciertos microorganismos, los que no son afectados con otras técnicas de preservación. La combinación de un tratamiento de calor medio con UHP demostró ser una técnica efectiva para una serie de productos alimenticios. La inactivación de microorganismos por el tratamiento UHP fue dramáticamente reducida en alimentos con actividad del agua por debajo de 0.94. la resistencia de los microorganismos a UHP debe ser a pH 3-8. para una adecuada in activación de esporas bacterianas se requieren presiones sobre 8000 Kg/cm2 y altas temperaturas. El procedimiento a seguir con alimentos preempaquetados en containers hechos de materiales plásticos comerciales es el siguiente. Se los cargan dentro de un recipiente a alta presión rellenado con agua del grifo, se cierra el recipiente, la presión interna sube hasta el valor necesario y luego baja a la presión ambiental; se abre el recipiente, se saca el agua y se seca. El alimento ya empaquetado esta listo para su distribución.
Mano-Termo-Sonicación (MTS) Una nueva combinación de procesos para la inactivación microbiana que incluye calor y ultrasonido bajo presión. La presión fue necesaria para obtener MTS letalidad a temperaturas por debajo del punto de ebullición. La combinación de calor y ultrasonido bajo presión incrementa mucho mas la letalidad de los tratamientos de calor permitiendo una reducción drástica en el tiempo y/o temperatura del proceso de calor. La inactivación microbiana por MTS sigue, como los procesos de calor, una primera reacción modelo cinética que predice un buen efecto de inactivación. Como consecuencia MTS puede ser una alternativa ventajosa para los procesos de calor.
Inactivación Fotodinámica de Microorganismos La acción fotodinámica comienza cuando un fotosensor absorbe luz de una longitud de onda específica en presencia de oxígeno. Esto causa oxidación, lo que produce efectos químicos y biológicos. Los efectos biológicos incluyen daños de la membrana, mutagénesis, interferencia del metabolismo, reproducción, etc. Fotosensores exógenos pueden crear especies reactivas las que pueden causar daños y muertes al sistema biológico. Las especies reactivas fueron pensadas para ser producidas por dos mecanismos llamados REACCIÓN TIPO 1 y REACCIÓN TIPO 2. Reacción tipo 1: Mecanismo de fotooxidación que envuelve la interacción directa del sensor excitado con el substrato obtenido en formaciones radicales y subsiguiente reacción con oxígeno. Reacción tipo 2: El camino de la fotooxidación que envuelve la energía transferida al dioxígeno generando una molécula simple de oxígeno, un oxidante activo que media la fotooxidación.
8. Ejemplos de barreras en la preservacion de alimentos
Preservación de jugos de frutas Como ya se menciono, los consumidores no son partidarios del agregado de conservantes químicos a los alimentos. Pero pese a las preferencias de los consumidores la aplicación de conservantes a este tipo de productos esta totalmente justificada, ya que su presencia es menos dañina que su ausencia, impide el desarrollo tóxico y el deterioro microbiano. Debe ser aclarado que el uso de conservantes envuelve menos riesgo que el no-uso de ellos, ya que previenen la formación de hongos. El uso de conservantes es justificado dado que las temperaturas altas a las que debiera ser sometido el jugo de fruta, para matar a los microorganismos, produciría cambios en el flavour, decoloración y perdidas de nutrientes. Por este motivo es que la sanidad de los jugos de fruta es asegurada con la combinación de conservantes y de otras barreras.
Fellows, Peter. "Tecnología del Procesado de Alimentos". Editorial Acribia. 1994. Brody, Aaron L. "Integrating Aseptic and Modified Atmosphere Packaging to Fulfill a Vision of Tomorrow". Food Technology. April 1996. Mertens B. and Knorr D. "Developments of Nonthermal Processes for Food Preservation" Food Technology. May 1992. Lioutas, Theodore S. "Challenges of Controlled and Modified Atmosphere Packaging: A Food Company’s Perspective". Food Technology. September 1988.
Autor:
Hernan Murno
Estudiante Ing. En Alimentos
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