Investigación sobre revestimientos en la industria alimentaria

Predecir la fecha de caducidad de los envases de alimentos

El revestimiento de los recipientes de almacenamiento de alimentos u otros objetos que entran en contacto con los alimentos es importante para evitar que se estropeen o contaminen, así como para proteger el propio recipiente de las propiedades corrosivas de los alimentos. Las latas siguen siendo bastante comunes como contenedores de alimentos, debido a que los alimentos están protegidos del aire y la luz durante mucho tiempo. Las latas son superficies conductoras, lo que permite realizar estudios electroquímicos de ellas mismas y de sus revestimientos.

En un caso ideal, puede predecirse la fecha de caducidad de un alimento almacenado en un recipiente. Los posibles obstáculos para una predicción son las diferentes velocidades de reacción de los componentes en descomposición de los alimentos, que no siempre son constantes. A menudo, la velocidad de reacción es lineal o una parábola. Además, la temperatura de almacenamiento puede ser diferente, por ejemplo si el alimento se exporta a distintos países.

Mediciones a diferentes temperaturas y tiempos de almacenamiento

Como ya se ha comentado en capítulos anteriores, una alta resistencia a la polarización o la resistencia añadida por el revestimiento significa una baja corrosión de la lata, lo que se traduce en una vida útil más larga para los alimentos que contiene. La resistencia del revestimiento también se ve influida por la temperatura y el tiempo de almacenamiento. Para hacer una predicción adecuada de la vida útil, será necesario realizar mediciones a diferentes temperaturas y tiempos de almacenamiento.

EIS, como técnica no destructiva con alta sensibilidad para los cambios en la interfaz, es un método adecuado para investigar los revestimientos de las latas de alimentos. Se supone que está familiarizado con los principios explicados en capítulos anteriores, por lo que no se tratarán aquí.

La mayoría de los revestimientos se comportarán como un revestimiento ideal directamente después de llenar la lata, lo que significa que son una resistencia y un condensador en serie (véase la figura 6.5). Con el tiempo se desarrollará un comportamiento más complejo debido a la penetración de agua en el revestimiento. Mientras no haya comenzado la corrosión, el EIS se parecerá a un circuito de Randles simplificado(Figura 6.7). La resistencia en serie seguiría siendo la _Rsol, pero la resistencia de transferencia de carga _Rct se sustituiría por la resistencia de poro _Rpor y la capacidad de doble capa_Cdl por la capacitancia de revestimiento_CC.

Cuando el agua alcanza la interfase metálica, puede aparecer la corrosión. Esta situación se refleja en el circuito equivalente de la figura 8.1. La corrosión puede provocar la formación de gas bajo el revestimiento, lo que da lugar a ampollas y desprendimientos. La solución dentro de una ampolla, siempre que la ampolla esté cerrada, puede ser muy diferente de la solución a granel. Las reacciones de corrosión suelen dar lugar a un valor de pH bajo.

Probar la vida útil

En primer lugar, las latas se recubren y envasan como de costumbre. Las latas se someten a pruebas después de determinados periodos de tiempo, por ejemplo 1 día, 1 semana, 1 mes, 4 meses y 12 meses.

Si el producto de la lata es conductor, la medición puede realizarse en el producto, que actúa como electrolito. En caso contrario, es necesario sustituir el producto por una solución de NaCl 0,5 M. Tenga en cuenta que una película de grasa o aceite en el revestimiento de la lata puede actuar como una película adicional, pero también existe la posibilidad de que los detergentes fuertes para eliminar la película de grasa cambien su revestimiento.

La lata se conecta como electrodo de trabajo. Los electrodos de referencia y contador se sumergen en la solución de la lata. Se realiza una espectroscopia de impedancia electroquímica y se comparan los espectros de los distintos tiempos de almacenamiento. Se espera que la _Rpor disminuya con el tiempo, cuando disminuya la calidad de la película.

Como ya se ha dicho, existe una correlación entre la calidad de un revestimiento y la rapidez con que se estropean los alimentos. Parece que existe una relación entre la resistencia de los poros o del revestimiento y la velocidad de reacción r de las sustancias que se estropean. La velocidad de reacción r se define como el cambio negativo de la concentración del reactivo. El cambio depende de la concentración del reactivo a la potencia de n y de la constante de velocidad de reacción k. Los valores habituales de n son 0, 1 ó 2 (véase la ecuación 8.1).

Utilizando la ley de potencia podemos intercambiar la concentración C por la resistencia de los poros _Rpor (Ecuación 8.2).

Si se define n y se comprende el comportamiento de k, puede extrapolarse la velocidad de reacción tras largos períodos de tiempo. La mejor forma de determinar n y k es transformar la ecuación diferencial para cada uno de los tres n comunes (0, 1 y 2) en una relación lineal. Los datos de la muestra se trazan de acuerdo con estas relaciones lineales y mediante un ajuste lineal se determina qué orden cumple mejor los criterios lineales.

Resolviendo la ecuación de orden cero se obtiene

_R0por es la resistencia de los poros en el día 0. Si la diferencia entre _Rpor y _R0por se representa gráficamente frente al tiempo t y se observa una relación lineal, la reacción es de orden 0 (n = 0) y la pendiente de esta curva es -k.

La solución del^1er orden (n = 1) entrega

Un gráfico del logaritmo de la relación frente al tiempo t debería dar una curva lineal con una pendiente de -k, si la reacción es de^1er orden.

Analoga las ecuaciones de^2º orden (n = 2) entrega

En caso de que la reacción sea de^2º orden, un gráfico de la diferencia inversa frente al tiempo t dará una curva lineal, pero esta vez la pendiente es k (no -k). El ajuste con el mejor coeficiente de correlación R² se realiza con el n correcto.

De esta forma se puede determinar el orden de reacción así como la velocidad de reacción. Con los valores del ajuste lineal se puede calcular el tiempo t que se tarda en alcanzar una determinada _Rpor. El resultado del ajuste lineal se describe mediante la ecuación 8.6.

Con la pendiente a y el intercepto b. Si se tiene en cuenta que x para este caso es t, las ecuaciones necesarias para calcular t para los distintos n son:

Si hay que determinar el tiempo t en el que la lata ya no es aceptable, hay que definir un _Rpor que ya no es aceptable, por ejemplo 300 Ω. Con el _R0por de las mediciones y los n y k determinados posteriormente, se puede calcular el tiempo t hasta que se alcanza el _Rpor no aceptable. Una vez determinados a y b a partir del ajuste lineal, se reordena la ecuación correspondiente (8.7, 8.8 u 8.9) para t.

Con este método se puede predecir el comportamiento a lo largo del tiempo para una temperatura fija, si se conocen varios valores en distintos momentos. Si se conocen las velocidades de reacción para varias temperaturas, se pueden extrapolar las velocidades de reacción y la vida útil para otras temperaturas. Sin embargo, las extrapolaciones deben tomarse con cautela. El cambio de temperatura puede modificar otros factores que influyen en la velocidad de reacción k. Las transiciones de fase pueden provocar estos cambios, por ejemplo.

En el envasado de alimentos, la transición vítrea tiene una influencia importante. Debido a la complejidad de este tema, recomendamos a los lectores que deseen determinar a partir de la medición de la velocidad de reacción o de la resistencia de los poros la vida útil para una temperatura que no se utilizó en las mediciones, que consulten la bibliografía correspondiente.