Proyecto Modular 2-Terminado
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1
UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Licenciatura en Ingeniería en Alimentos y Biotecnología
Asesor: Dr. Alejandro Márquez Lugo
Guadalajara, Jal .09 de Diciembre de 2013
EFECTOS DE CAMPOS ELÉCTRICOS PULSADOS EN LA
ACTIVIDAD MICROBIOLÓGICA Y ENZIMÁTICA DE JUGOS
DE NARANJA Y MANZANA Proyecto Modular M1 Matemáticas y M3 Fisicoquímica
Presenta: Mariana Esquivel Navarro
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 3
DESARROLLO……………………………………………………………………………4
Descripción de un campo eléctrico pulsado ......................................................... 4
Representación de un equipo de generación de campo eléctrico pulsado .......... 4
Efecto de campo electro pulsado en actividad microbiana .................................. 5
Factores que afectan eficiencia de un tratamiento con PEF ................................ 6
Estimación de la Inactivación Microbiana por Campos Eléctricos Pulsados (PEF)
............................................................................................................................. 7
Aplicación del modelo de distribución de Weibull para determinar la
supervivencia microbiana en jugos de naranja tratados con campos eléctricos
pulsados ............................................................................................................... 9
Efectos de campos eléctricos pulsados en la inactivación enzimática ............... 11
CONCLUSIÓN …………………………………………...……………………………...18
BIBLIOGRAFÍAS ………………………………………………………………………..18
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INTRODUCCIÓN
Los jugos de frutas son bebidas de consumo mundial, en México per cápita se
consumen 8 litros por persona (Amador, 2010) mismo que registra una tendencia
a la alza cada año.
Los jugo de naranja y manzana son los más vendidos en casi
todos los mercados del mundo debido a la amplia distribución y versatilidad de las
frutas.
Actualmente para la comercialización de jugos se requiere aplicar un tratamiento
térmico para evitar su pardeamiento enzimático y para eliminar bacterias que
deterioran el producto y causan daño a los consumidores. Sin embargo, al
pasteurizar los jugos se pierden algunos de los elementos nutritivos y lascaracterísticas sensoriales de los jugos naturales que el consumidor demanda, lo
que provoca que los procesadores de jugos abusen de aditivos que repercuten en
la salud e incrementan en el costo de los mismos.
Esto ha llevado a la industria alimentaria a desarrollar nuevas tecnologías para el
procesamiento de jugos, una de ellas es el tratamiento de bebidas con campos
eléctricos pulsados (PEF), que permite obtener productos con propiedades
similares a los alimentos frescos (Mañas et. al ., 2005). Especialmente estatecnología se considera una alternativa muy prometedora al proceso de
pasteurización.
Las principales aplicaciones de PEF se centran en la inactivación de actividad
enzimática y microbiológica, a pesar de las ventajas que el tratamiento ofrece es
poco utilizado debido en gran medida, a que se desconoce la eficacia cuantitativa
de un tratamiento por PEF por ejemplo, el tiempo de tratamiento que debe ser
suministrado para inactivar alguna enzima o microorganismo en específico. Por
esta esta razón, en ese trabajo se mostrará la aplicación de herramientas
matemáticas y cinéticas para predecir la inactivación enzimática y microbiológica
en jugos de naranja y manzana cuando son tratados con campos eléctricos
pulsados.
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DESARROLLO
Descripción de un campo eléctrico pulsado
El procesamiento de alimentos con campos eléctricos pulsados se basa en la
aplicación de pulsos cortos de alta intensidad (típicamente 10 hasta 80 kV /cm)
entre un set de electrodos que envuelven una cámara de tratamiento. Cuando se
introduce un alimento a esta cámara, se le suministran pulsos eléctricos de
elevado voltaje, lo que produce una rotura en las paredes y membranas de las
células microbianas, sin causar alteraciones en las características sensoriales y
nutricionales del producto. El empleo de campos eléctricos pulsados como método
de conservación de alimentos se considera un proceso no térmico, ya que los
alimentos se tratan a temperatura ambiente o debajo de 50°C por sólo unosmicrosegundos, lo que minimiza la pérdida de energía causada por el
calentamiento (Barbosa-Cánovas et. al ., 2010).
Representación de un equipo de generación de campo eléctrico pulsado
Un sistema de procesamiento de campo eléctrico pulsado se compone de una
fuente de alto voltaje de energía, un banco de condensadores de almacenamiento
de energía, una resistencia de limitación de corriente de carga, un interruptor para
descargar energía desde el condensador a través del alimento y una cámara de
tratamiento (Figura 1). Un osciloscopio es utilizado para observar la forma de onda
del pulso. Una fuente de alimentación y un generador de corriente continua de alto
voltaje convierten el voltaje de una línea de servicio ( 110 V ) que luego se rectifica
a un DC de alto voltaje. La energía de la fuente de energía se almacena en un
condensador y se descarga a través de la cámara de tratamiento para generar un
campo eléctrico en el producto alimenticio .El banco de condensadores se carga
mediante una fuente de alimentación de corriente continua y un interruptor
eléctrico se utiliza para descargar energía (de forma instantánea en millonésimas
de segundo) a través del alimento contenido en la cámara de tratamiento (Maged
et. al ., 2011).
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Resistores
Además de los elementos principales algunos otros componentes son necesarios.
En el caso de los sistemas continuos, una bomba se utiliza para transportar el
alimento a través de la cámara de tratamiento por otra parte, un sistema de
refrigeración en la cámara se puede utilizar para disminuir el efecto del
calentamiento óhmico durante el tratamiento. A su vez para medir el voltaje se
utilizan sondas de alta tensión y alta corriente suministradas en la cámara.
Figura 1.Representacion esquemática de un equipo de campos eléctricos pulsados
Efecto de campo electro pulsado en actividad microbiana
El efecto antimicrobiano producido por campos eléctricos pulsados se cree que es
debido a la ruptura dieléctrica resultante de la aplicación del campo eléctrico que
induce un potencial eléctrico a través de la membrana celular (Figura 2).Este
potencial eléctrico provoca una separación de la carga electrostática en la
membrana de la célula sobre la base de la naturaleza dipolar de la los
constituyentes de la membrana lo que provoca un estrés electromecánico
transmembranal (Stoica et. al .,2011) cuando se excede un valor crítico,
produciendo repulsiones de carga estimulando la formación de poros (proceso
llamado electroporación), debilitando la membrana y dañando la célula
(Gintautas,2010).
Resistores
R e s i s t o r
Interruptor
Inductores
CapacitoresSuministrode energía
C á m a r a d e
t r a t a m i e n t o
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Figura 2.Proceso de electroporación celular (Gintautas,2010).
Factores que afectan eficiencia de un tratamiento con PEF
Muchos factores determinan la efectividad de un tratamiento con campos
eléctricos pulsados, estos factores influyen en las características del producto
final. Los parámetros incluyen: la intensidad del campo eléctrico, el número de
pulsos, el tiempo de tratamiento, la temperatura del tratamiento, longitud deimpulso, la polarización de pulso, la frecuencia, así como la energía específica y
la velocidad de flujo.
Algunos factores intrínsecos del alimento a procesar son: la presencia de
partículas como azúcares y sales, conductividad, fuerza iónica, pH, actividad de
agua y viscosidad (Mohamemed, 2010).
Por otra parte, los pulsos cuadrados (Figura 3) son más eficaces en la inactivación
microbiana y enzimática, ya que mantienen un voltaje constante durante un
período más largo de tiempo, además durante un decaimiento exponencial se
genera un exceso de calor en el alimento sin los efectos esperados.
En el caso de un impulso de onda cuadrada, la energía eléctrica [W (J)] disipada
en un impulso viene dada por (Gutiérrez-López et. al . ,2003):
2 E V W
Donde:
E: Campo eléctrico (V/cm)
1
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7
V: Volumen del alimento éntrelos dos electrodos (cm3)
: Duración del pulso (seg)
: Resistividad eléctrica del alimento (ohms∙cm)
Figura 3.Gráfico representativo de un pulso cuadrado
Estimación de la Inactivación Microbiana por Campos Eléctricos Pulsados (PEF)
Un tratamiento con pulsos leves no dará lugar a la muerte celular, mientras que un
tratamiento demasiado severo daña la calidad de los alimentos, afecta el equipo o
aumentar considerablemente el costo del tratamiento.
Para llevar a cabo con éxito tratamientos con campos eléctricos pulsados esnecesario implementar modelos matemáticos que permitan predecir la inactivación
microbiana para garantizar la seguridad y la vida útil del producto.
La inactivación de los microorganismos por PEF depende de varios constituyentes
importantes, entre los más importantes la intensidad del campo y el tiempo de
tratamiento.
Aunque se han evaluado bastantes modelos cinéticos y matemáticos para
determinar la inactivación de microorganismos por PEF en variedad de alimentos,
varios autores (San Martín y col.,2007. Ávila-Sosa et. al ., 2013. González et. al .
,2012) han citado al modelo de distribución de Weibull como el mejor para
representar los efectos de PEF en alimentos, el modelo destaca por que brinda la
Tiempo
Voltaje
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flexibilidad de utilizar cualquier variable conocida en el tratamiento, como el tiempo
tratamiento, la energía suministrada o la frecuencia del pulso.
El modelo de distribución de Weibull nos permite estudiar cual es la distribución
de fallos de un componente que se pretende controlar y a través del registro defallos determinar a lo largo del parámetro establecido, observar cual es la
incidencia de cada comportamiento (Celis, 2008).
Lo que significa, que para predecir la inactivación microbiana primeramente es
necesario contar con un registro del efecto de algún parámetro de PEF en la
actividad microbiana, para fin de este trabajo se considerará el efecto del tiempo
del tratamiento y la energía suministrada.
En términos de una curva de supervivencia el modelo de distribución de Weibull
expresado para campos eléctricos pulsados está dado por (Mohammed, 2010):
10
1log ( )
2.303S
Donde:
Log10 S: logaritmo de supervivencia
χ Parámetro de Control [tiempo o la intensidad del campo ( µs ó J/ml,
respectivamente ]
β: parámetro de forma [pendiente de la recta de regresión de los registros,
representa la concavidad de los datos; concavidad hacia arriba ( β< 1 ) , una curva
de super vivencia lineal ( β =1 ) , y la concavidad hacia abajo ( β > 1)]
α: parámetro de escala (representa la condición del parámetro necesario parainactivar el primera log10 de la población microbiana)
(2)
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Aplicación del modelo de distribución de Weibull para determinar la supervivenciamicrobiana en jugos de naranja tratados con campos eléctricos pulsados
Como se mencionó anteriormente, conociendo los registros del efecto de PEF en
microorganismos respecto a algún factor, es posible predecir con precisión el
efecto de diferentes parámetros siguiendo la misma ecuación (2).Con el fin de
ejemplificar, comprobar y calcular el error del método de Weibull como una
herramienta predictiva de inactivación microbiana se determinara la supervivencia
de Lactobacillus plantarum a un tratamiento con campos eléctricos pulsados.
Lactobacillus plantarum es una bacteria gram positiva que puede ser aislada a
partir de plantas, tracto respiratorio, intestinal y vaginal de animales de sangre
caliente. Tiene la peculiaridad de producir ácido láctico (Ingraham et. al ., 1998 ) yotros compuestos como acetato, etanol, CO2, formato y succioanato a partir de
carbohidratos fermentables. Esta bacteria es considerada prebiótica ya que
contribuye de manera benéfica al balance de la flora intestinal y es efectiva en la
prevención y control de desórdenes gastrointestinales (Zapata et. al ., 2009).
Sin embargo, el crecimiento de esta bacteria de forma no prevista en los jugos
produce sabores y aromas desagradables, además que la presencia de algunos
compuestos resultado de la fermentación producen burbujas y turbidez en los
jugos (Hernández et. al., 2003).
Para inhibir la bacteria (Sampedro et. al ., 2007) trataron jugo de naranja con
campos eléctricos pulsados a 35 kV/cm a 35°C, a diferentes tiempos y energía
aplicada, los resultados son los de la Tabla 1.
Sabiendo la distribución de los datos se calcularon los parámetros de escala y
forma, respecto al tiempo de tratamiento. Los resultados fueron:
β= 0.2
α= 0.1
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Tabla 1.Valores Experimentales se supervivencia microbiana en jugo de naranja tratado con PEF a
35 kV/cm a 35°C respecto al tiempo de tratamiento y la energía suministrada. Datos extraídos con
g3 Data graph analizer (Sampedro et. al ., 2007).
Log( S) T(us) Log(S) Q (J/ml)
-1.48809
-1.58730
-1.60714
-1.64682
-1.68650
-1.88492
40.90583
61.92863
79.96777
101.76035
130.07518
182.13987
-1.50709
-1.54255
-1.61347
-1.684397
-1.70212
-1.87943
211.32075
332.83018
449.62256
607.54716
818.86792
1172.8301
Después de determinar los parámetros, se prosiguió a aplicar la ecuación (2),conlos valores del tiempo de tratamiento conocido (para hacer una posterior
comparación ) y con los mismos parámetros de determino el Log 10S para la
energía suministrada para conocer a flexibilidad del método. Los resultados se
muestran en la Tabla 2.
Tabla 2.Valores predecidos del efecto de PEF en jugo de naranja obtenidos a partir de la ecuación
de Weibull (2).
Se graficaron los resultados de ambos parámetros para obtener los gráficos 1 y 2.
Después se calculó el error %ARD para determinar la precisión del método, el
error determinado en la gráfica respecto al tiempo fue de 3.91996% mientras para
la energía especifica fue de 3.88670%.Estos resultados indican que la utilización
Log(S) T(us) Log(S) Q (J/ml)
-1.44564
-1.57066
-1.65306
-1.73468
-1.82198
-1.94888
40.90583
61.92863
79.96777
101.76035
130.07518
182.13987
-2.0076
-2.19862
-2.33493
-2.479830
-2.63238
-2.82847
211.32075
332.83018
449.62256
607.54716
818.86792
1172.8301
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del método de distribución de Weibull es una herramienta confiable para predecir
los efectos antimicrobianos de los campos eléctricos pulsados. Los resultados
fueron gráfica dos en las figuras 4 y 5 para apreciar mejor la diferencia.
Figura 4. Datos experimentales del tiempo de tratamiento con PEF respecto a la supervivencia de
Lactobacillus plantarum.Se compara con los datos obtenidos a partir del método de Weibull.
Efectos de campos eléctricos pulsados en la inactivación enzimática
Últimamente, los jugos de manzana y naranja que no se clarifican están ganandoun mayor mercado debido a sus cualidades sensoriales y nutricionales. Estos
jugos contienen una alta cantidad de pulpa y conservan el sabor de las frutas
frescas. Sin embargo, es muy común que se almacenen en presencia de oxígeno,
lo que conduce al pardeamiento enzimático ya que contienen una considerable
cantidad de enzimas polifenoloxidasas (PPO) y peroxidasas (POD).
Estas enzimas catalizan tanto la reacción de hidroxilación de fenoles y la oxidación
de orto-difenoles que forman quinonas, la condensación de los cuales generamelaninas que obscurecen a los jugos (Elez-Martínez et. al ., 2006) (figura 6).
-2
-1.9
-1.8
-1.7
-1.6
-1.5
-1.4
-1.3
0 50 100 150 200
L o g 1 0
( S )
Tiempo(µs)
experimental
obtenido
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Figura 5. Comparación de datos experimentales y obtenidos a partir del método de Weibull de la
supervivencia de Lactobacillus plantarum respecto a la energía suministrada en un tratamiento con
PEF.
Figura 6.Mecanismo Bioquímico de la formación de melaninas por la enzima Polifenoloxidasa
Estos compuestos influyen negativamente en las características sensoriales como
en el color y sabor, para posteriormente repercutir en la vida de anaquel y
aceptabilidad del consumidor de los zumos de naranja y manzana.
-3
-2.8
-2.6
-2.4
-2.2
-2
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
L o g 1 0 ( S )
Energía (J/ml)
Experimental
Obtenido
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Tradicionalmente la prevención del pardeamiento enzimático se ha logrado
mediante una combinación de inhibidores químicos, variaciones de pH y
tratamientos térmicos sin embargo, estos procesos tienen un impacto
desfavorable sobre la calidad del producto final.
La aplicación de campos eléctricos pulsados genera deficiencias en los procesos
de transporte de iones, lo que cambia la conformación de la estructura de las
enzimas, por lo que con la aplicación de PEF se han conseguido diferentes
porcentajes de inactivación (30 al 99%) de las enzimas peroxidasa y
polifenoloxidasa (Riener et. al ., 2008).
Los niveles de inactivación de estas enzimas son considerados del resultado delos cambios en las estructuras secundarias y terciarias de las proteínas, que
modifican ciertas uniones moleculares en los centros activos y la configuración
globular.
Es muy importante contar con herramientas que permitan predecir el tiempo de
resistencia de las enzimas POD y PPO a un tratamiento de campo eléctrico
pulsado.
La utilización de modelos cinéticos permite evaluar la idoneidad y repercusiones
de diferentes parámetros como la temperatura y el tiempo del tratamiento que se
abarcaran en este trabajo.
Un modelo cinético de primer orden fue evaluado por (Riener et. al ., 2008) y
calificado como el mejor para describir la inactivación de POD y PPO en jugos de
manzana por PEF.
La actividad residual de las enzimas (%RA) se obtuvo con:
( ) E
In RA t (3)
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Donde
t: tiempo de tratamiento [µs]
E : es la constante de inactivación enzimática (específica para cada enzimasegún las condiciones de tratamiento)
RA: Actividad residual de la enzima después del tratamiento con PEF
El tiempo de reducción decimal se puede calcular usando:
10
E
In D
Donde:
D: tiempo de reducción decimal (tiempo de tratamiento [μs] requerido para
inactivar el 90% de la actividad enzimática).
El modelo cinético de primer orden puede ser utilizado para posteriormente
predecir la actividad residual de las enzimas a diferente tiempo, con la finalidad de
seleccionar el tiempo necesario para lograr un tratamiento óptimo de inactivación
enzimática.
Para lograr este objetivo se extrajeron las coordenadas de inactivación enzimática
a diferentes tiempos a 35°C y a 30kV/cm por considerarse como una referencia
media del tratamiento (Tabla 3).
Con los datos obtenidos, se prosiguió con aplicar el método diferencial de primer
orden (utilizando Excel) para conocer las constantes cinéticas respectivas para
cada enzima mediante la regresión lineal de los datos. Los resultados fueron
graficados (figuras 7 y 8).
Despejando la actividad residual de las enzimas de la ecuación (3) se obtiene:
(4)
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( ) E
In RA t
t RA e
Se puede aplicar la fórmula (5) debido a que ya se conocen las constantescinéticas. Se aplicó la ecuación con los tiempos observados por (Riener et.al .,
2008) para hacer una comparación con lo observado y lo obtenido. Los resultados
son los del Figura 9.
Tabla 3.Efectos de PEF sobre la actividad residual enzimática de polifenoloxidasas (PPO) y
peroxidasas (POD) a 35°C y 30kV/cm en jugo de manzana.Datos extraídos de (Riener et. al .,
2008) utilizando el software g3 data graph analizer .
POD PPO
Tiempo detratamiento [μs]
Actividad relativa delas enzimas %
Tiempo detratamiento [μs]
Actividad relativa delas enzimas %
0 100 0 100
25.0996 76.0456 24.90118 59.9173550.19920 67.99079 50.19762 54.95807
100 59.83263 100 45.4545
Se calculó del %ARD de error para cada enzima respecto a los datos
experimentados y los obtenidos por la cinética de primer oden. Para la enzima
polifenoloxidasa de obtuvo un %ARD de 3.8253% y para la enzima peroxidasa
10.8184%, lo que indica que el procedimiento cinético seguido puede indicar
eficientemente el tiempo necesario de tratamiento con PEF para inactivar a las
enzimas.
(5)
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Figura 7. Determinación de la constante cinética mediante regresión lineal del efecto de PEF en la
enzima polifenoloxidasa. κ=0.0048
Figura 8.Determinación de la constante cinética mediante regresión lineal del efecto de PEF en la
enzima peroxidasa. κ=0.007
y = 0.0048x + 4.5217R² = 0.8739
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
0 50 100 150
I n ( % R A )
Tiempo(μs)
Tendencia central
y = 0.007x + 4.4383
R² = 0.7954
3.6
3.8
4
4.2
4.4
4.6
4.8
0 50 100 150
I n ( % R A )
Tiempo(μs)
Tendencia central
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Figura 9.Comparación de los datos experimentales con los obtenidos del efecto de PEF en la
inactivación de polifenoloxidasa a partir de la aplicación de una cinética de primer orden.[%RA
:Porcentaje de actividad enzimática]
Figura 13.Comparación de los datos experimentales con los obtenidos del efecto de PEF en la
inactivación de peroxidasas a partir de la aplicación de una cinética de primer orden.
50
60
70
80
90
100
110
-10 10 30 50 70 90 110
% R A
Tiempo de tratamiento(µs)
Observado
Obtenido
40
50
60
70
80
90
100
110
-10 10 30 50 70 90 110
% R A
Tiempo de tratamiento(µs)
Observado
Obtenido
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CONCLUSIÓN
La aplicación de Campos eléctricos pulsados para la pasteurización de jugos en la
industria no sólo requiere demostrar el efecto de la tecnología en la actividad
enzimática y microbiológica, sino también demostrar que los niveles de seguridadmicrobiológica y enzimática que se obtienen con estas tecnologías son
equivalentes a los obtenidos con la pasteurización térmica.
Para demostrar este aspecto, es necesario identificar los microorganismos y
enzimas para establecer los criterios de procesado necesarios para reducir la
población de estos microorganismos a un nivel que garantice la seguridad de los
alimentos. Esta tarea no se puede llevar acabo si no de describe la cinética de
inactivación que permitan comprender los mecanismos implicados en la
inactivación por estos tratamientos.
Resulta difícil obtener datos fidedignos para predecir la inactivación de enzimas o
microorganismos debido a las grandes diferencias en las condiciones del
tratamiento. Por esa razón, en este trabajo se utilizaron modelos matemáticos y
cinéticos con la finalidad de evaluar una herramienta que permita conocer con
presión los valores de los parámetros de procesado que permitan identificar laeficacia de los campos eléctricos pulsados.
BIBLIOGRAFÍAS
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