Читать книгу Mantenimiento básico de máquinas e instalaciones en la industria alimentaria. INAQ0108 - Carmen María de Oña Baquero - Страница 5
ОглавлениеCapítulo 1
Operaciones y procesos principales de la industria alimentaria
1. Introducción
La industria alimentaria actual es muy variada y en ella se incluyen desde pequeñas empresas tradicionales de gestión familiar, que se caracterizan por una utilización intensiva de procesos manuales, a grandes industrias, que cuentan con procesos industriales altamente mecanizados.
A pesar de la diversidad de los procesos empleados, en la industria alimentaria, los procesos pueden clasificarse en seis tipos: la manipulación de los alimentos, el almacenamiento de los mismos y de las materias primas, la extracción de sus propiedades, la fabricación o elaboración hasta un producto final, la conservación de los alimentos y el envasado.
En este capítulo, se estudiarán de modo general los principales procesos empleados en la industria alimentaria agrupados según sus características operativas comunes.
2. Conservación por tratamientos térmicos: esterilización, pasteurización y escaldado
El calor destruye la mayoría de los gérmenes o de sus formas de resistencia (esporas). No obstante, la temperatura, así como el tiempo necesario para conseguir la destrucción de los microorganismos, es diferente según se trate de virus, bacterias, mohos o levaduras.
Someter a los alimentos a la acción del calor, teniendo controlados la temperatura y el tiempo, implica la reducción o la eliminación de los microorganismos y de las enzimas presentes en ellos.
| Definición |
Enzimas
Proteínas especializadas que actúan regulando la velocidad de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos.
La conservación mediante tratamientos térmicos puede realizarse mediante las siguientes operaciones:
Escaldado.
Pasteurización.
Esterilización.
Uperizado (UHT).
2.1 Escaldado
El escaldado es una operación que se aplica a los alimentos de origen vegetal y cuyo objetivo consiste en estabilizarlos, destrozando la actividad de las enzimas que contienen.
Se suele aplicar a frutas y verduras antes de ser sometidas a otro proceso de conservación (congelado, enlatado, deshidratación, etc.).
Proceso de escaldado en la industria alimentaria
El escaldado es un tratamiento térmico que presenta dos características:
Temperatura moderada.
Corta duración.
En la práctica, para inactivar a las enzimas presentes en los alimentos, es suficiente mantener los productos a una temperatura entre 95 y 100 °C durante unos minutos.
| Nota |
Antes de someter a los alimentos a este proceso, suele reducirse el tamaño de las piezas.
Los objetivos a conseguir durante el proceso de escaldado son los siguientes:
Expulsar los gases de los tejidos vegetales, de modo que los productos se vuelvan más densos y no floten los líquidos de gobierno de los alimentos enlatados.
Expulsar el oxígeno de los tejidos, para evitar fenómenos de oxidación.
Desactivar las enzimas que impulsan los procesos químicos.
Destruir algunos de los microorganismos presentes, lo que dependerá de la temperatura y la duración del escaldado.
Los dos métodos de escaldado más comunes consisten en pasar los alimentos a través de una atmósfera de vapor saturado o por un baño de agua caliente.
Escaldado de vapor
El escaldador de vapor convencional consiste en un sistema de cintas transportadoras que introducen los alimentos en un túnel provisto de una atmósfera de vapor.
| Nota |
Las dimensiones normales del túnel suelen ser 15 m de largo, 1, 5 m de ancho y unos 2 m de alto. Estos equipos procesan hasta 4.500 kg/h de alimentos.
A continuación, el enfriamiento de los alimentos se produce mediante un spray de niebla que satura el aire frío con humedad. Así, se consigue que se produzcan menos pérdidas evaporativas de los nutrientes y se reduce la cantidad de efluente producido. También puede emplearse aire frío en el proceso, (el tiempo del proceso se regula controlando la velocidad de la cinta).
Con este sistema, puede ocurrir que el calor no llegue a todas las capas del alimento uniformemente y, para evitarlo, hay que buscar una combinación de tiempo y temperatura para inactivar las enzimas, que implica que algunas partes queden más recalentadas y se pierdan características del alimento.
Para evitar este efecto, se puede optar por realizar el escaldado en dos etapas: una primera que calienta una capa muy fina y se mantiene a temperatura constante durante un tiempo y una segunda en que ese calor llega a todo el alimento, lo que produce la inactivación de las enzimas. Además, este método consigue una reducción de los costes energéticos y también se reducen las pérdidas de nutrientes.
Escaldador industrial de vapor
Las ventajas son:
Menores pérdidas de componentes solubles en agua: vitaminas, proteínas, etc.
Menor volumen de residuos, principalmente aire frío en vez de agua fría.
Fácil limpieza.
Las limitaciones son:
Los alimentos requieren un lavado previo, ya que el sistema no asegura la limpieza de los mismos.
Problemas de escaldado irregular por calentamiento no uniforme.
Algunas pérdidas de masa en la comida.
Escaldado de agua caliente
En los escaldadores de agua caliente, los alimentos se mantienen en agua caliente a 70-100 °C un tiempo determinado y luego se pasan a una sección de enfriamiento y desecado.
En el escaldador de carrete, la comida entra en un tambor de perforado cilíndrico que gira lentamente y, en parte, está sumergido en agua caliente. La comida se mueve a través del tambor. El tiempo de tratamiento lo determina la velocidad de rotación.
Escaldador de tubería
Los escaldadores de tuberías consisten en una tubería de metal que contiene el alimento en movimiento. El agua caliente pasa por la tubería en el mismo sentido que el alimento, arrastándolo. El tiempo de tratamiento será función de la longitud del tubo y de la velocidad de arrastre del agua.
Escaldador de tubería
Las ventajas son:
Bajo coste de capital.
Mejor eficiencia energética que los escaldadores de vapor.
Las limitaciones son:
Los tratamientos de agua y la compra de agua son más costosos.
Riesgo de contaminación por bacterias termófilas.
| Nota |
El espacio que ocupan es menor que otros tipos de escaldadores y tienen una alta capacidad (para el espacio que ocupan).
La elección de un sistema u otro depende tanto del tipo de producto a tratar como del proceso de conservación a que vaya a ser sometido posteriormente.
2.2. Pasteurización
Para la pasteurización, se utilizan temperaturas suaves, inferiores a 100 °C. Consiste en calentar el alimento durante un tiempo dado y, a continuación, enfriarlo rápidamente.
| Definición |
Bacterias termófilas
Organismos unicelulares que pueden soportar condiciones extremas de temperatura relativamente altas, por encima de los 45 °C.
La principal característica de este proceso es que consigue reducir la carga microbiana del alimento, eliminando solo los organismos patógenos. Sin embargo, no elimina aquellos organismos más resistentes, como por ejemplo las esporas, que permanecerán en el producto. La pasteurización se utiliza como método de conservación principalmente en líquidos.
Según la temperatura y el tiempo empleado, se diferencian dos métodos de pasteurización:
1. Pasteurización lenta (LTH): fue el primero en utilizarse y se lleva a cabo en alimentos envasados (cervezas, zumos). Consiste en aplicar al alimento temperaturas de 63-66 °C durante periodos largos de tiempo (30 min) y, posteriormente, dejarlo enfriar lentamente.
2. Pasteurización alta (HTST): en este método, se emplea una temperatura de 72 °C que se aplica durante tiempos cortos (entre 15 y 20 s). Posteriormente, se enfría rápidamente a 4 °C. Se aplica sobre alimentos a granel (leche, productos lácteos, zumos, etc.).
| Sabía que... |
Entre 1857 y 1861, Louis Pasteur realizó varios experimentos y demostró que solo podía producirse crecimiento de gérmenes a partir de microorganismos previamente existentes y que estos eran responsables de deterioro de los alimentos. Pasteur descubrió también que, aplicando calor a determinadas temperaturas, los microorganismos morían, dando así nombre al método de conservación denominado “pasteurización™.
La pasteurización se recomienda principalmente:
Cuando emplear un tratamiento térmico más intenso dañe el producto (leche, zumos).
Para eliminar microorganismos patógenos de un alimento (leche para hacer queso).
Cuando los principales microorganismos que alteren un producto no sean muy termorresistentes (levaduras de los zumos de frutas).
| Nota |
| Un alimento pasteurizado HTST, por ejemplo un zumo, debe conser-varse en el frigorífico y, una vez abierto el envase, ser consumido en tres o cuatro días. |
2.3. Esterilización
La esterilización es el tratamiento de conservación térmico más drástico. Consiste en someter al alimento a temperaturas muy elevadas, superiores a 100 °C, durante un tiempo que asegure la destrucción de todos los microorganismos presentes.
A mayor temperatura empleada, menor será el tiempo necesario para conseguir la esterilización del producto. Si se aplica al producto una temperatura de 115-130 °C, son necesarios entre 15 y 30 min.
Autoclave para la esterilización de productos
El principal problema de la esterilización es la pérdida de vitaminas y otros nutrientes que se produce en el alimento. Además, puede provocar cambios en el sabor y en el color original de los productos.
En la actualidad, para solventar estos problemas, en la industria alimentaria se emplea la esterilización UHT o uperización, método que emplea temperaturas muy elevadas, hasta los 150 °C, durante tiempos muy cortos (2-5 s) y, a continuación, procede a enfriar rápidamente el alimento. Debido a que el periodo de exposición a temperaturas elevadas es muy breve, se produce una mínima degradación del alimento y se consigue la denominada esterilización comercial, ya que existen microorganismos muy termorresistentes que pueden sobrevivir al tratamiento, pero que no crecen a temperatura ambiente.
La uperización se lleva a cabo de forma continua, mediante intercambiadores de calor, y en recinto cerrado, que garantiza que el producto no se contamine mediante el envasado aséptico.
Equipo esterilizador UHT
| Recuerde |
La esterilización implica la ausencia total de microorganismos y de sus formas de resistencia.
| Aplicación práctica |
Justifique qué parámetros son los principales para tener bajo control el proceso de pasteurización HTST en una industria de zumos.
SOLUCIÓN
Para llevar a cabo la pasteurización HTST, es necesario tener en cuenta básicamente tres factores: en primer lugar, considerar el tiempo de penetración del calor en el alimento. Una vez conocido y fijado este parámetro, controlar la temperatura y el tiempo de aplicación.
Es necesario asegurar que cada uno de los ciclos de pasteurización cumple estrictamente las condiciones establecidas (por ejemplo 72 °C durante 16 s). Por ello, en una industria de zumos, es necesario contar con personal cualificado para realizar los controles pertinentes durante el proceso de producción.
3. Conservación de los alimentos por frío: congelación y refrigeración
La aplicación de frío permite enlentecer la actividad de los microorganismos patógenos en los alimentos, así como el retardo en la producción de reacciones químicas y, en consecuencia, alarga la vida útil de los alimentos sometidos a bajas temperaturas.
Por ello, la refrigeración y la congelación son los sistemas más comunes para la conservación de alimentos, tanto en el ámbito industrial como en el doméstico.
| Importante |
La refrigeración no destruye los microorganismos, sino que simplemente inhibe su crecimiento.
La disminución de microorganismos y de su multiplicación es proporcional a la disminución de temperatura.
| Nota |
Durante la refrigeración, las células de los tejidos animales y vegetales tienen un metabolismo lento. En la congelación, se paraliza toda actividad metabólica.
3.1. Congelación
La congelación consiste en someter a los alimentos a temperaturas inferiores a −18 °C. Esta forma de conservación se basa en la solidificación del agua contenida en los alimentos. Este cambio implica que el agua deje de estar disponible, quedando fija en forma de cristales de hielo.
Cuando los cristales de hielo son grandes, dañan las estructuras celulares, de forma que, a menor tamaño de los cristales, las lesiones de los tejidos también serán menores.
En el proceso de congelación, se distinguen tres etapas:
Enfriamiento: comprende desde la temperatura inicial hasta aquella en que comienza la congelación.
Cambio de estado: se inicia la formación de cristales de hielo.
Enfriamiento posterior: cuando toda el agua presente en alimento se ha transformado en hielo.
Cuanto más rápido se alcance la tercera etapa, los cristales de hielo formados serán más pequeños y el producto congelado presentará mejores características nutritivas y organolépticas.
La congelación ultrarrápida o ultracongelación consigue que los alimentos rebasen la zona crítica de congelación rápidamente, para que se formen los cristales de hielo de tamaño reducido.
Menestra de verduras ultracongeladas
Los tipos de congelación son:
Congelación por aire: una corriente de aire frío extrae el calor del producto hasta que se consigue la temperatura final.
Congelación por contacto: una superficie fría en contacto con el producto extrae el calor y consigue la congelación.
Criogenización: se utilizan fluidos criogénicos (nitrógeno o dióxido de carbono) que sustituyen al aire frío para conseguir el efecto congelador. El enfriamiento puede llevarse a cabo mediante inmersión del alimento en el líquido refrigerante o por contacto indirecto.
3.2. Refrigeración
La refrigeración consiste en mantener los productos a bajas temperaturas, pero superiores a las de congelación. Al mantener los alimentos entre 0-8 °C, se enlentece la actividad de los microorganismos y se retardan las reacciones químicas.
La refrigeración puede ser utilizada para conservar la mayoría de los alimentos, como carnes, pescados, frutas, verduras, leche, productos lácteos, alimentos enlatados que han sufrido un tratamiento térmico poco drástico y productos elaborados.
La conservación de los alimentos mediante refrigeración se limita a periodos cortos, porque la actividad de las reacciones metabólicas continúa y su velocidad se acelera con el tiempo.
| Importante |
Durante la refrigeración, la temperatura debe permanecer constante, es decir, sin altibajos.
Tabla de temperaturas máximas permitidas para la conservación de productos mediante frío y por tipo de actividad y alimento
Como norma general, se admiten tolerancias de hasta 3 °C en dichas temperaturas, siempre y cuando estas subidas no sean permanentes y se deban a situaciones puntuales (carga y descarga, apertura de puertas, descarches, etc.).
| Sabía que... |
Cuando un producto se descongela, los gérmenes pueden volver a reproducirse. Por ello, conviene una manipulación higiénica y que el consumo del alimento sea rápido.
| Aplicación práctica |
Suponga que trabaja en una industria alimentaria dedicada al almacenamiento de congelados y, al llegar a su puesto de trabajo, descubre que una de las cámaras de congelación marca una temperatura de 5 °C. Justifique qué medidas adoptaría.
SOLUCIÓN
En la industria alimentaria, es de vital importancia el mantenimiento de la temperatura, en este caso de congelación, durante toda la cadena, desde la fabricación, el transporte, el almacenamiento, la distribución y hasta la entrega al consumidor. Ante un incidente de este tipo, hay que comprobar en primer lugar el estado de los alimentos y, en caso de que se hayan descongelado, en ningún caso volverlos a congelar, si no que habría que proceder bien a su consumo, en caso de que fuesen aptos, bien a su destrucción.
Si, por el contrario, al comprobar el estado de los alimentos, se observa que estos no se han descongelado, la acción inmediata ha de ser su traslado a otra cámara que sea capaz de reproducir y mantener la temperatura de congelación.
En relación a la cámara, habrá que proceder a investigar cuál ha sido el problema y, en su caso, a repararlo.
4. Operaciones para la eliminación de agua: evaporación, secado y liofilización
La mayoría de los alimentos tienen un contenido en agua que permite el crecimiento de los microorganismos, de modo que una forma de conservarlos es la eliminación de esa agua disponible, impidiendo así que se lleven a cabo la actividad enzimàtica y microbiana.
El agua puede eliminarse por evaporación, secado o deshidratación y por liofilización.
4.1. Evaporación
La evaporación consiste en convertir un líquido en vapor sometiéndolo a un tratamiento térmico. El objetivo es conseguir la vaporización del contenido acuoso, de modo que el producto alimenticio líquido alcance una mayor concentración de solutos.
En muchos productos, con el aumento de concentración de solutos, se presenta un riesgo de aparición de indeseables, como desnaturalización de proteínas, degradación de vitaminas, aparición de olores y sabores anormales, alteraciones del color, etc.
La evaporación suele aplicarse fundamentalmente en la elaboración de concentrados lácteos (por ejemplo leche condensada) y de zumos de frutas.
4.2. Secado
Este es uno de los métodos más antiguos utilizados por el ser humano para alargar la vida de los alimentos. Consiste en disminuir el contenido de agua de determinados alimentos.
| Sabía que… |
Se cree que en el Paleolítico ya eran colgados al sol carnes y pescados para que secasen; de esta manera, se lograba que duraran mucho más tiempo.
Según sea llevado a cabo el proceso, se diferencian dos formas de secado:
Desecación: consiste en la extracción del agua contenida en el alimento mediante condiciones ambientales naturales. Por ejemplo el secado de embutidos como el jamón.
Secadero de jamones
Deshidratación: es el mismo proceso, pero, en este caso, se recurre a la acción de calor artificial que facilita la eliminación del agua. Por ejemplo deshidratación de té o café.
Café deshidratado
Otras operaciones relacionadas con el secado son:
Ahumado: somete a los alimentos a la acción de gases que se desprenden de la combustión de los vegetales. Este humo actúa, además de como secante, como esterilizante y antioxidante.
Salazón: utiliza el efecto deshidratante de la sal, que, además, aporta sabor y efecto inhibidor sobre el crecimiento de algunas bacterias.
Curado: utiliza sustancias como la sal, azúcar, nitratos o nitritos, que, además de ejercer un efecto deshidratante y antibacteriano, aportan otras características organolépticas sobre los productos.
4.3. Liofilización
Esta técnica de conservación de alimentos se basa en eliminar el agua de un alimento congelado, aplicándole vacío y llevándolo a una temperatura inferior a −30 °C. Así, se extrae el agua congelada que, en estas condiciones, pasa directamente a estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido (sublimación).
| Nota |
La liofilización proporciona productos de fácil rehidratación para aplicaciones especificas, como el café instantáneo, sopas instantáneas, leches infantiles, etc.
Tras volverse a hidratar, los productos recuperan todas sus propiedades nutritivas.
Liofilizador industrial
Es una técnica bastante costosa y lenta, pero produce alimentos de mayor calidad, ya que, al no emplear calor, evita en gran medida las pérdidas nutri-cionales y organolépticas.
5. Operaciones de procesado de sólidos: tamización cortado y trituración
Las operaciones de procesado de sólidos en la industria alimentaria consisten básicamente en la producción de unidades de menor tamaño a partir de trozos mayores. Para ello, hay que provocar la fractura o quebrantamiento de los mismos mediante la aplicación de presiones.
5.1. Tamización
Un tamiz es una malla metálica formada por barras tejidas que dejan espacios entre sí, a través de los cuales se hace pasar el alimento en el proceso de tamización.
Tamices con diferente tamaño de luz de tamizado
El alimento sólido, para ser tamizado, ha de estar previamente triturado o tener un tamaño apropiado para la luz del tamiz. Las aberturas que deja el tejido constituyen la superficie de tamizado y pueden ser de formas diferentes (cuadradas, redondas, etc.).
El tamizado es una operación que se emplea para separar mezclas, clasificando por tamaño de partícula. Consiste en hacer pasar una mezcla de partículas de diferentes tamaños por un tamiz o cedazo. Las partículas de menor tamaño pasan por los huecos del tamiz y las grandes quedan retenidas por el mismo. El tamiz ha de mantener un movimiento de vibración que hace que las partículas de producto se distribuyan por la superficie de tamizado. También existen tamizadoras que emplean la fuerza centrífuga o la inyección de aire para conseguir que las partículas atraviesen los huecos del tamiz.
Tamizadoras industriales
| Nota |
En algunos casos, el tamizado se efectúa con adición de un líquido sobre la masa a tamizar, con el fin de que el líquido ejerza el arrastre a través del tamiz.
5.2. Cortado
Esta operación consiste en dividir el alimento en trozos de menor tamaño, pero de igual tamaño entre sí. El cortado se emplea para obtener un tamaño prefijado.
Por otra parte, el cortado también se emplea para eliminar o para separar partes de un alimento dado.
Para llevar a cabo este proceso, se emplean cuchillos, rebanadoras, cortadoras mecánicas y formadoras de cubos.
Rebanadora de pan
5.3. Trituración
La trituración es otro proceso empleado para reducir el tamaño de las par-tículas de un producto mediante fuerzas de compresión, impacto y fricción.
| Ejemplo |
| Moler los granos de café en un mortero con un mazo. El mortero es un instrumento utilizado tradicionalmente para el triturado de elementos |
La trituración, además, se refiere a la producción de un material homogéneo a través de la mezcla.
Las maquinas que se utilizan en la industria para llevar a cabo este proceso suelen ser:
Molinos: mediante molienda se obtiene un tamaño de partícula muy pequeño a partir de fuerzas de impacto y fricción.
Molino tradicionalmente utilizado para el triturado de cereales
Trituradoras: trabajan machacando el producto y con ellas se obtienen trozos más grandes de producto que con los molinos.
Triturador de uva
6. Procesos de agitación de líquidos y sólidos. Agitación y emulsionado
Los procesos de agitación tienen gran importancia en la industria alimentaria, porque el éxito de muchas operaciones depende de que se lleven a cabo una agitación y mezclas eficaces (por ejemplo en la fabricación de natas y salsas).
6.1. Agitación
Se puede definir la agitación como el movimiento circulatorio que se le da a un producto dentro de un contenedor. El objetivo de la agitación es favorecer la transferencia de calor y/o favorecer la mezcla.
Agitadora industrial
Cuando el objetivo es mezclar, el fin de la agitación es conseguir una mezcla lo más homogénea posible, de forma que las diferentes fases de la mezcla queden uniformemente distribuidas.
En este sentido, las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas. Los componentes de una mezcla pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.
Mezcla homogénea
Es aquella en la que sus componentes no se perciben a simple vista, ni siquiera con la ayuda del microscopio. Está formada por un soluto y un solvente. Cuando se produce la agitación, el soluto queda disperso en el solvente. A estas mezclas se les denomina también soluciones (líquido-líquido, líquido-sólido).
Mezcla heterogénea
Es aquella que posee una composición no uniforme en la cual se pueden distinguir a simple vista sus componentes. Está formada por dos o más sustancias, físicamente distintas (líquido-sólido, líquido-líquido, sólido-sólido), distribuidas en forma desigual. Las partes de una mezcla heterogénea pueden separarse mecánicamente.
| Ejemplo |
Las ensaladas, la sal mezclada con arena o el aceite mezclado con agua.
6.2. Emulsionado
Una emulsión es la mezcla de líquidos inmiscibles, de forma que se produzca una mezcla homogénea. Una de las más características de estas mezclas es la inestabilidad, ya que sus componentes tienden a separarse.
En la industria alimentaria, suelen usarse aditivos para evitar esta separación y suelen añadirse estabilizadores emulsificantes.
En el proceso de emulsionado, un líquido (fase dispersa) es dispersado en otro (fase continua o dispersante). Por lo general, las emulsiones suelen ser de aceite/agua.
| Ejemplo |
Emulsiones son la mantequilla, la margarina, la mayonesa, la leche, etc.
En el caso de la mantequilla y la margarina, la grasa rodea las gotitas de agua (emulsión de agua en aceite); en la leche y la crema, el agua rodea las gotitas de grasa (emulsión de aceite en agua).
Las salsas emulsionadas necesitan de agitación para su formación
| Aplicación práctica |
Identifique y justifique los tipos de emulsión que pueden obtenerse de una mezcla agua-aceite.
SOLUCIÓN
Al mezclar agua y aceite, pueden obtenerse dos tipos de emulsiones diferentes, según sea la composición de la mezcla.
Se podría obtener una emulsión de aceite en agua, en la cual la fase dispersante o continua es el agua y la dispersa es el aceite. En este tipo de emulsiones, el agua rodea las gotitas de aceite.
En el caso de que la fase mayoritaria fuese el aceite, podría obtenerse una emulsión tipo agua en aceite. En este caso, la fase continua o dispersante estaría representada por el aceite y la dispersa por el agua. En este tipo de emulsiones, la grasa rodea las gotitas de agua.
7. Operaciones de separación: centrifugación, extracción sólido-líquido, separación por membranas, ultrafiltración y osmosis inversa
Las operaciones de separación son aquellas cuyo objetivo es separar total o parcialmente uno o varios compuestos de una mezcla.
Existen numerosos procesos que permiten la separación de los componentes de una mezcla.
7.1. Centrifugación
La centrifugación es una operación que permite separar sustancias mediante el empleo de la fuerza centrífuga (fuerza rotativa). El método se basa en la diferencia de densidad entre el sólido y el líquido o entre dos líquidos inmiscibles de densidades diferentes.
Tras la centrifugación, la fase menos densa queda en la parte de arriba y la más pesada en la parte de abajo, de modo que permite la separación de ambas fases.
Una centrífuga es el equipo que se emplea para llevar a cabo la centrifugación.
| Ejemplo |
En la industria láctea, la leche se separa mediante centrifugación en leche desnatada y nata.
La grasa de la leche se encuentra dispersa en forma de pequeños glóbulos en la fase líquida y puede moverse a través de ella. Debido a que los glóbulos de grasa pesan menos que la fase de líquido (desnatado), estos tenderán a flotar y se situarán en la parte de arriba. La fase de líquido, al pesar más, se desplazará hacia abajo, ayudada por la fuerza centrífuga, que permitirá que la grasa ascienda a la superficie.
7.2. Extracción sólido-líquido
El proceso de extracción sólido-líquido constituye una operación de separación de uno o más componentes contenidos en una fase sólida mediante el empleo de una fase líquida o disolvente. El componente que pasa de la fase sólida al disolvente se denomina soluto. La extracción sólido-líquido también se conoce como lixiviación, lavado o percolación.
En la industria alimentaria, la extracción sólido-líquido tiene aplicaciones importantes, como por ejemplo en la extracción de aceites de semillas, en la extracción de extractos de materias vegetales y animales, en la obtención del azúcar de la remolacha y en la fabricación de té y café instantáneo.
La extracción sólido-líquido se lleva a cabo en una o varias etapas. Una etapa es una unidad del equipo en la que se ponen en contacto las fases durante un tiempo determinado y en la que se va produciendo la transferencia de la fase sólida al disolvente.
Extractor sólido líquido con tres etapas de extracción
| Sabía que… |
| El método Soxhlet es un proceso de separación sólido-líquido en el que el disolvente se calienta y se evapora para pasar al condensador, de modo que, al condensar, va cayendo gota a gota sobre la fase sólida en la que ejerce la extracción. |
7.3. Separación por membranas, ultrafiltración y ósmosis inversa
En los procesos de separación por membranas, se consiguen separar determinados componentes de una mezcla, haciéndola pasar por una membrana porosa. La membrana porosa actúa como filtro selectivo para el paso de determinados componentes de la mezcla.
Las operaciones de separación de membrana se clasifican, según sea el tamaño de partícula retenida (de mayor tamaño de partícula retenida a menor), en:
Microfiltración: retiene partículas en suspensión.
Ultrafiltración: retiene hasta macromoléculas (proteínas, polisacáridos, virus).
Nanofiltración: retiene hasta azúcares.
Ósmosis inversa: retiene partículas de sales muy pequeñas.
Membranas de ultrafiltración
Los procesos de separación por membranas presentan la ventaja de que el gasto energético producido es bajo y, además, permiten trabajar a temperatura ambiente, por lo que pueden emplearse para productos que se deterioran con el calor. Por estos motivos, este tipo de procesos han ido adquiriendo importancia en los últimos años.
En la industria alimentaria, destacan los procesos de separación mediante membranas semipermeables de ultrafiltración y de ósmosis inversa, principalmente en la industria de bebidas y en la industria láctea.
| Recuerde |
La ultrafiltración suele retener moléculas de mayor tamaño y la ósmosis inversa es capaz de retener moléculas de muy bajo peso molecular.
Ultrafiltración
Las membranas empleadas en los procesos de ultrafiltración separan de los fluidos partículas de 0, 0001-0, 1 micras.
| Sabía que... |
En la industria de elaboración de quesos, la ultrafiltración se emplea para eliminar de la leche los microorganismos patógenos, en lugar de emplear un tratamiento térmico.
En la siguiente figura está representado cómo el líquido atraviesa la membrana a través de sus poros, y las partículas de tamaño inferior al de los poros la atraviesan y quedan retenidas las partículas mayores.
La ultrafiltración también puede aplicarse para el pre-tratamiento del agua antes de la ósmosis inversa. Esto evita que la membrana se ensucie y previene que las membranas sean dañadas por partículas duras y cortantes.
Ósmosis inversa
Para comprender el funcionamiento de la ósmosis inversa, es necesario entender primero el principio de la ósmosis. Cuando dos fluidos que presentan distinta concentración de sólidos disueltos están separados por una membrana semipermeable (que deja pasar el líquido, pero no los sólidos disueltos), el fluido de menor concentración pasará a través de la membrana hacia el fluido de mayor concentración (figura A). A la diferencia de altura se le llama presión osmótica (figura B). El equilibro se alcanza cuando se igualan concentraciones o cuando la presión hidrostática es superior a la osmótica.
Si se aplica en el fluido una presión superior a la presión osmótica, se obtiene el efecto inverso. El fluido atravesará la membrana, pero los sólidos disueltos quedarán al otro lado (figura C). Los sólidos en suspensión quedarán atrapados en la membrana.
En la industria alimentaria, las principales aplicaciones de la ósmosis inversa son:
Para desalinizar y purificar agua.
Para concentrar suero de quesería.
Para la concentración y purificación de zumos de frutas.
Para la concentración de almidón de trigo, ácido cítrico, leche, café, jarabes, etc.
Para clarificar el vino y la cerveza.
Equipo de ósmosis inversa para desalinizar agua
| Recuerde |
La ósmosis inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semipermeable.
| Aplicación práctica |
Establezca las principales semejanzas y diferencias entre los procesos de ultrafiltración y de ósmosis inversa.
SOLUCIÓN
Ambos son procesos de separación por membrana selectiva semipermeable. Eliminan agua y solutos disueltos muy pequeños, pero la ósmosis inversa elimina solutos de peso molecular más bajo que la ultrafiltración.
Ambos necesitan elevadas presiones de trabajo, pero las de la ósmosis inversa son mucho mayores.
El mecanismo de selección es la difusión en la ósmosis inversa y el tamizado en la ultrafiltración.
Ambos presentan la ventaja de ser procesos de bajo coste energético.
8. Operaciones basadas en transformaciones químicas: fermentación y reactores biológicos
Estas operaciones implican la transformación de sustancias iniciales en productos de distinta naturaleza química. Tales transformaciones son llevadas a cabo mediante reacciones químicas.
En la industria alimentaria, estas reacciones químicas son en muchas ocasiones llevadas a cabo por sistemas biológicos, como bacterias, hongos y levaduras.
8.1. Fermentación
La fermentación es un proceso mediante el cual determinadas sustancias orgánicas sufren una serie de cambios químicos por acción de enzimas que producen los microorganismos (bacterias, mohos, levaduras) para ello. Al finalizar la fermentación, se obtiene una acumulación de sustancias químicas distintas a las iniciales.
El yogur es el resultado de la fermentación de la leche
En el transcurso de las reacciones químicas que se producen durante la fermentación, se produce energía que el microorganismo utiliza en su metabolismo.
Los procesos de fermentación han sido utilizados desde hace aproximadamente ocho mil años, a pesar de que no se conocía la existencia ni la influencia de los microorganismos de esos procesos.
| Sabía que… |
La palabra fermentación viene del latín fermentare que significa “ebullir”. Se utilizó porque describe la ebullición aparente que se observa durante la fabricación de los vinos como consecuencia de la liberación de gas en forma de burbujas y que provoca el movimiento del líquido.
Los procesos fermentativos permiten la conservación de alimentos, mejoran la calidad nutricional y aumentan las cualidades organolépticas de los alimentos. Por ejemplo, los productos lácteos como el yogur y el queso (fermentación láctica); productos cárnicos, como los embutidos; el pan; verduras fermentadas, como el chucrut o las aceitunas; bebidas alcohólicas, como el vino, la cerveza o la sidra (fermentación alcohólica); el vinagre (fermentación acética).
Fermentación del zumo de uva en la elaboración del vino
8.2. Reactores biológicos
Un reactor biológico o biorreactor es un recipiente donde se lleva a cabo el proceso de fermentación. Por ello, también se denomina fermentador.
La función del biorreactor es mantener las condiciones idóneas para el crecimiento del microorganismo, para lograr la mayor producción de compuestos deseados.
Los fermentadores industriales suelen ser de acero inoxidable o de vidrio. Generalmente, están equipados con mecanismos de control que permiten mantener las condiciones adecuadas para que las enzimas de los microorganismos operen en condiciones óptimas. Los parámetros que se controlan normalmente son la temperatura, el pH y el oxígeno disuelto.
Existen diferentes tipos de biorreactores, según sea su diseño, siendo el biorreactor de tanque agitado el más ampliamente utilizado en la industria alimentaria.
Biorreactor de tanque agitado
En este tipo de reactor, un eje de turbinas accionado por un motor es el encargado de producir la agitación. Además, el aire se inyecta a través de los inyectores del fondo del tanque, provocando cientos de burbujas que contribuyen a la agitación del líquido.
Este reactor está formado por:
Tanque de acero inoxidable o de vidrio, que constituye el cuerpo del >reactor.
Sistema de agitación, que funciona mediante un motor que hace girar los agitadores, de modo que mantiene en movimiento el caldo de fermentación.
Deflectores, placas colocadas a lo largo del reactor muy cerca de las paredes que sirven para disminuir la turbulencia que provocan los agitadores.
Dispositivos de adición (carga), de extracción (descarga y salida de gases) y de control (pH, temperatura, presión).
Sistema de aireación, que permite in troducir de forma controlada el oxígeno necesario para que se lleve a cabo la fermentación. El aire que se introduce ha de ser estéril.
Sistema de transferencia de calor (serpentines o camisa), que permite mantener el caldo fermentativo a la temperatura a la que se consigue el desarrollo óptimo de los microorganismos. La temperatura se regula mediante termostatos.
Fermentadores empleados en la fabricación de cerveza
9. Principales procesos empleados en la industria alimentaria
A continuación, se van a describir con detalle los principales procesos empleados en la industria alimentaria.
Manipulación: la manipulación que sufren los alimentos en la industria hasta convertirse en un producto final es varia y diversa. En la actualidad, se tiende a que la manipulación manual sea la mínima posible y se tiende a la mecanización, el proceso continuo y la automatización
Almacenamiento: los procesos de almacenamiento tienen como objetivo minimizar la estacionalidad de determinados alimentos. El almacenamiento suele realizarse en silos, tanques, bodegas y cámaras frigoríficas.
Extracción: para extraer un determinado componente de los cereales, de la fruta o de los líquidos, se utilizan procesos de triturado, machacado o molienda, así como métodos de extracción y separación.
Fabricación: los procesos empleados en la elaboración de alimentos son extremadamente diversos y hay que definirlos de forma individual para cada tipo de industria. No obstante, los principales son la cocción, el secado y la deshidratación, la fermentación y la destilación.
Conservación: la conservación de los alimentos en la industria alimentaria tiene como fin evitar que el alimento elaborado se deteriore y pierda calidad durante los procesos de almacenamiento y transporte. En este sentido, la calidad de un alimento se valora atendiendo a diferentes factores, tales como el valor nutricional, las características organolépticas y de seguridad o salud pública. Por ello, el método elegido para la conservación de un producto alimentario ha de mantener tales factores para conseguir un alimento de calidad. Los métodos de conservación se agrupan en dos grandes bloques:
Bactericidas: sistemas de conservación que reducen el número de microorganismos, como por ejemplo el empleo de calor o las radiaciones.
Bacteriostáticos: sistemas de conservación que impiden la multiplicación de los microorganismos, como por ejemplo la utilización de frío o de determinadas sustancias químicas.
Envasado: existen numerosos métodos de envasado para los alimentos, (envasado al vacío, en atmósferas modificadas, enlatado, etc.).
10. Resumen
En este capítulo, se han analizado los principales procesos y operaciones empleados en la industria alimentaria.
Los procesos de conservación tienen la finalidad de alargar la vida de los productos alimenticios. En esta categoría, se distinguen dos sistemas:
Tratamientos térmicos: esterilización, pasteurización y escaldado.
Frío: congelación y refrigeración.
Las operaciones para la eliminación de agua, según la cantidad de agua eliminada, de menos a más, engloban los tratamientos de evaporación, secado y liofilización.
Las operaciones de procesado de sólidos incluyen las de división de los alimentos en trozos más pequeños mediante el empleo de medios mecánicos:
Tamización.
Cortado.
Trituración.
Los procesos de agitación de líquidos y sólidos son la agitación, para favorecer la transferencia de calor y la mezcla, y el emulsionado, que consiste en la mezcla de líquidos inmiscibles de manera homogénea.
Las operaciones de separación consisten en, a partir de una mezcla, separar dos o más productos de distinta composición. Para ello emplean técnicas de:
Centrifugación.
Extracción sólido-líquido.
Separación por membranas (ultrafiltración y ósmosis inversa).
Las operaciones basadas en transformaciones químicas son llevadas a cabo mediante reacciones químicas que implican la obtención de productos a partir de unos compuestos iniciales de distinta naturaleza química. Las fermentaciones se llevan a cabo en reactores biológicos o fermentadores, que permiten mantener las condiciones ideales (temperatura, oxígeno disuelto, presión, pH) para obtener una mayor producción de los compuestos deseados.
| Ejercicios de repaso y autoevaluación |
1. El escaldado es...
a. …una operación que permite inactivar las enzimas presentes en los alimentos.
b. …una operación de separación sólido-líquido.
c. …un tratamiento térmico muy drástico, en el que se somete al producto a temperaturas superiores a 150 °C.
d. Todas las opciones son incorrectas.
2. La pasteurización…
a. …consiste en calentar el alimento durante un tiempo dado y, a continuación, enfriarlo rápidamente.
b. …consigue reducir la carga microbiana del alimento, eliminando solo los organismos patógenos.
c. …se utiliza como método de conservación, principalmente en líquidos.
d. Todas las opciones son correctas.
3. Señale la afirmación incorrecta.
a. El frío inhibe el crecimiento de los microorganismos patógenos en los alimentos.
b. El frío acelera la producción de reacciones químicas.
c. El frío no destruye los microorganismos.
d. La congelación consiste en someter los alimentos a temperaturas inferiores a -18 °C.
4. El proceso de liofilización es…
a. …una técnica de conservación de alimentos basada en eliminar el agua de un alimento, aplicándole vacío y llevándolo a una temperatura inferior a -18 °C.
b. …una técnica de conservación de alimentos basada en eliminar el agua de un alimento congelado, aplicándole vacío y llevándolo a una temperatura inferior a -30 °C.
c. …una técnica bastante costosa y rápida que produce alimentos de elevada calidad.
d. …una técnica de conservación de alimentos basada en eliminar el agua de un alimento mediante condiciones ambientales naturales.
5. El proceso de separación de uno o más componentes contenidos en una fase sólida mediante el empleo de un disolvente, se denomina…
a. …centrifugación.
b. …liofilización.
c. …extracción sólido-líquido.
d. …separación por membranas.
6. Las máquinas que se utilizan en la industria para llevar a cabo procesos de trituración suelen ser…
a. …trituradoras y tamices.
b. …trituradoras y molinos.
c. …autoclaves y trituradoras.
d. …rebanadoras y cortadoras mecánicas.
7. Señale la afirmación correcta.
a. Una emulsión es la mezcla de líquidos inmiscibles de forma que se produzca una mezcla homogénea.
b. Una emulsión es una mezcla inestable en la que sus componentes tienden a separarse.
c. Los emulsificadores son aditivos que se añaden a las emulsiones para evitar que los componentes de una emulsión se separen.
d. Todas las opciones son correctas.
8. Señale la afirmación correcta.
a. La centrifugación es una operación que permite separar sustancias mediante el empleo de la fuerza mecánica.
b. Tras la centrifugación, la fase más densa queda en la parte de arriba y la más ligera en la parte de abajo.
c. En la industria láctea, la leche se separa mediante centrifugación en leche desnatada y nata.
d. La centrifugación también se conoce como lixiviación, lavado o percolación.
9. Ordene las siguientes operaciones de separación por membrana según disminuye el tamaño de partícula retenida.
Ósmosis inversa, microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración.
10. Un reactor biológico…
a. …es un recipiente donde se lleva a cabo el proceso de fermentación.
b. …suele disponerse al aire libre para reproducir las condiciones ambientales.
c. …está equipado con mecanismos de control que permiten mantener las condiciones idóneas para el crecimiento de los microorganismos.
d. Las respuestas a. y b. son correctas.
