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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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EFECTOS DE CAMPOS ELÉCTRICOS PULSADOS EN LA ACTIVIDAD MICROBIOLÓGICA Y ENZIMÁTICA DE JUGOS DE NARANJA Y MANZANA

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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)

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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

1.Amador, Octavio.2010. Baja consumo de refrescos; crece el de agua y jugos. El

Economista. México. disponible en :

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