Estudio de formulaciones detergentes y métodos para la limpieza del almidón en la industria alimentaria utilizando micro/nanopartículas, enzimas y tensioactivos

Resum

RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE LA DOCTORANDA OTILIA HERRERA MÁRQUEZ PARA SU INCLUSIÓN EN LA BASE DE DATOS TESEO TÍTULO: Estudio de formulaciones detergentes y métodos para la limpieza del almidón en la industria alimentaria utilizando micro\nanopartículas, enzimas y tensioactivos Introducción y objetivos En el presente trabajo de Tesis Doctoral se ha estudiado el uso de distintas formulaciones detergentes y métodos de limpieza en el proceso de eliminación de almidón seco adherido a superficies duras, concretamente a acero inoxidable. El almidón es un ingrediente ampliamente utilizado en la industria alimentaria en distintas preparaciones y productos, utilizándose también como aditivo espesante, gelificante o agente de retención de agua. Las suciedades amiláceas dificultan especialmente los procesos de limpieza CIP (Clean-In-Place) en instalaciones industriales, ya que suelen adherirse a las superficies internas de tuberías y accesorios, haciendo difícil su eliminación. Por otro lado, el acero inoxidable es el material habitualmente utilizado en la fabricación de equipamiento para la industria alimentaria. Dentro del ámbito de la hostelería y la industria alimentaria las formulaciones detergentes están evolucionando en los últimos años hacia composiciones más eficientes desde un punto de vista económico y ambiental, optimizándose su composición. Esta evolución tiene como objetivo reducir el consumo energético del proceso de limpieza, y aumentar la protección de las superficies y la biodegradabilidad de las aguas de lavado. Estos requisitos se han tenido en cuenta en este trabajo a la hora de llevar a cabo la formulación de las disoluciones de lavado utilizadas en la limpieza del almidón seco. Concretamente, se han estudiado formulaciones que atienden a los siguientes criterios: - Utilización de tensioactivos respetuosos con el medio ambiente, fácilmente biodegradables y de baja toxicidad. - Utilización de disoluciones enzimáticas, lo que permite acortar los tiempos de lavado, reduciendo el consumo de agua y energía y permitiendo el descenso de la temperatura y el el uso de pH de trabajo próximos a la neutralidad. - Utilización de micro- y nanopartículas que aumenten la eficacia de lavado gracias a su influencia en los fenómenos de superficie involucrados en los procesos de limpieza y a su potencial efecto abrasivo. También en los últimos años se han ido desarrollando nuevos métodos de limpieza y desinfección en la industria alimentaria basados en la electrólisis del agua o de soluciones salinas. El agua electrolizada permite el diseño de procesos de limpieza con bajo coste económico y mínimo impacto ambiental. Estos métodos están obteniendo una alta eficacia tanto en la limpieza como en la desinfección de conducciones y equipos en la industria láctea. En esta Tesis Doctoral se ha analizado la influencia que tiene sobre la limpieza de almidón seco la incorporación de micro- y nanopartículas así como de la enzima α-amilasa como ingredientes en las formulaciones detergentes. Se ha determinado la eficacia de dichas formulaciones mediante la realización de ensayos de lavado estandarizados. También se ha desarrollado un nuevo método de limpieza de almidón adherido a superficies metálicas mediante aplicación de corriente continua. Materiales y métodos Se ha evaluado la capacidad de limpieza del almidón seco adherido a superficies de acero inoxidable. Para ello se han ensayado siete tensioactivos diferentes, tanto aniónicos como no iónicos, de cinco familias distintas: un lineal alquilbenceno sulfonato (LAS), dos ácidos alquil éter carboxílicos (ECA), un alcohol etoxilado (AE), un alquilpoliglucósido (APG) y dos ésteres de glicerina polietoxilados (PGE). Se ha analizado la concentración de AE por el método colorimétrico del yodo-yoduro, mientras que la concentración de APG se evaluó mediante el método de la antrona. La enzima utilizada es una α-amilasa termoestable procedente de Bacillus Licheniformis. Se controló su actividad a lo largo del tiempo de experimentación mediante el método yodométrico. La formación de complejos entre tensioactivos y almidón hace que el método yodométrico deje de ser válido para el estudio de la actividad de la α-amilasa en presencia de tensioactivos, por lo que se ha utilizado también el método DNS para determinar la estabilidad de la enzima en el seno de formulaciones detergentes. Se ha estudiado la influencia que ejerce sobre la capacidad de lavado de almidón seco adherido a acero inoxidable la incorporación de cinco micro- y nanopartículas de diferentes características y composición (sílice y magnetita). Las partículas seleccionadas son ampliamente utilizadas como aditivos en multitud de productos químicos. Se ha estudiado la estabilidad de dichas partículas en suspensiones acuosas en presencia de tensioactivos. Con el fin de conocer el comportamiento de las partículas en el seno de una solución detergente se estudió su interacción con los tensioactivos no iónicos AE y APG en solución acuosa. Para ello se prepararon suspensiones de distinta concentración de partícula en soluciones de 1 g/L de tensioactivo, procediéndose a la separación de las partículas (por centrifugación o mediante magnetismo) y a la determinación de la concentración de tensioactivo residual en el sobrenadante. La detergencia obtenida con las formulaciones estudiadas (que incorporan tensioactivos, enzima y/o partículas) se ha evaluado en el dispositivo patentado Baño-Sustrato-Flujo (BSF) diseñado para determinar la eficacia detersiva de fórmulas de lavado en superficies duras simulando un sistema CIP de limpieza industrial. Como sustrato se utilizaron esferas hechas a partir de fibras de acero inoxidable ensuciadas con gel de almidón y secadas posteriormente. El dispositivo BSF permite modificar los elementos principales que intervienen en el proceso detersivo: sustrato, suciedad, composición del baño de lavado, pH, temperatura y caudal de recirculación del sistema. La detergencia en cada ensayo de lavado se obtuvo determinando la concentración de almidón en el baño de lavado a diferentes tiempos de ensayo, utilizando el método colorimétrico del fenol-sulfúrico. Por último, se ha desarrollado y patentado un dispositivo y procedimiento para la limpieza de almidón adherido a acero inoxidable mediante electrolimpieza. El sistema se basa en la circulación de corriente continua entre dos electrodos conectados a un generador, uno de los cuales se conecta al sustrato a limpiar. El dispositivo de electrolimpieza permite estudiar la influencia que ejercen diversos factores sobre la detergencia, pudiéndose modificar la temperatura, polaridad, tiempo, composición de la solución de lavado y voltaje para optimizar las condiciones óptimas del proceso. Resultados y discusión Se ha estudiado la interacción que presenta en solución acuosa las partículas de sílice y magnetita con los tensioactivos AE y APG determinándose la concentración de tensioactivo en el sobrenadante de suspensiones preparadas con dichas partículas. Se ha observado que el AE se adsorbe sobre todas las partículas estudiadas. Este descenso en la concentración de tensioactivo fue significativamente mayor en las suspensiones de las micropartículas Sipernat 50 (S50), por lo que se tomaron como referencia para el posterior estudio de la detergencia mediante el uso de fórmulas de lavado que contienen partículas. Para estudiar la eficacia de lavado del almidón seco con fórmulas detergentes que contienen las partículas S50 se llevó a cabo un diseño factorial completo 23 donde los factores considerados fueron la concentración de partículas, el pH y el caudal. Este diseño se aplicó a tres formulaciones de lavado diferentes: suspensión acuosa de S50 a pH constante, suspensión acuosa de S50 a pH constante con AE 1 g/L y suspensión acuosa de S50 a pH constante con APG 1 g/L. Se modelizó la detergencia a tiempo final del ensayo (45 minutos). Se observó que en los tres diseños de experimentos la detergencia se ajusta a un modelo empírico lineal con interacción de factores y adición de un término cuadrático de pH. De los tres factores, el pH es el factor que tiene un efecto más significativo sobre la detergencia, alcanzándose los valores máximos a pH = 13. El aumento de caudal también influye positivamente sobre la detergencia, aunque en menor magnitud. La concentración de partículas ejerce un efecto distinto en función del tipo de solución estudiada, no afectando a la detergencia de soluciones pH 13 sin tensioactivo y reduciéndose la detergencia que presentan las soluciones de pH 13 con AE (1 g/L) al aumentar la concentración de partículas S50. La detergencia alcanzada con soluciones de pH 13 con APG se incrementa cuando aumenta la concentración de partículas y el caudal, encontrándose el óptimo de detergencia en la solución de lavado que contiene APG (1 g/L). Se realizaron también ensayos de actividad de la α-amilasa mediante el método DNS utilizando condiciones experimentales que reproducen las utilizadas en los ensayos de lavado con soluciones enzimáticas en el dispositivo BSF (pH 7, 60 ºC). Se ha encontrado que la enzima mantiene su actividad en presencia de todos los tensioactivos antes mencionados. Este resultado permite considerar su incorporación a estas soluciones de tensioactivos y estudiar su eficacia de lavado sobre el almidón seco. Los ensayos de lavado realizados con soluciones que incorporan enzimas han mostrado que la detergencia depende fuertemente de la temperatura y concentración de enzima utilizadas. Las formulaciones enzimáticas permiten buenos resultados de detergencia a valores neutros de pH y una temperatura de 60ºC. La incorporación de partículas S50 a la formulación enzimática no mostró tener efecto sobre la detergencia. Por otra parte, se realizaron ensayos de lavado en BSF a 40 ºC y 60 ºC con soluciones pH 7 con α-amilasa (0.06 g/L) y los tensioactivos estudiados (1 g/L). Ninguno de los tensioactivos utilizados mejoraba la detergencia de la solución enzimática en ausencia de tensioactivo, encontrándose que a 60 ºC los tensioactivos AE y ECA-OE3 reducían el valor de detergencia a tiempo final. En el caso del tensioactivo AE se comprobó además que este efecto se acentuaba con el tiempo de lavado y con la concentración de tensioactivo. El estudio del lavado de almidón seco adherido a acero inoxidable mediante aplicación de corriente continua se realizó en un dispositivo de electrolimpieza, evaluándose la influencia de diversos factores sobre la detergencia: voltaje (0-10 V), tiempo de aplicación de corriente (10-20 minutos), inversión de la polaridad, pH (1-13), periodo de mojado previo a la aplicación de corriente (10-20 minutos) y temperatura (10-60 ºC). Los resultados obtenidos permitieron establecer unas condiciones óptimas de lavado considerando criterios de eficacia detersiva y de ahorro energético, encontrándose que las condiciones óptimas de lavado se alcanzan con una solución de lavado de pH 13, un potencial de 5V, tiempo de lavado 20 minutos y 20 ºC. Finalmente se estudió la influencia que ejerce en el proceso de electrolimpieza la presencia de tensioactivos en la solución de lavado (en concentración 1 g/L). Se demostró que los siete tensioactivos estudiados mejoraban la detergencia en ensayos realizados en las condiciones óptimas de lavado descritas anteriormente. Los tensioactivos no iónicos estudiados (a excepción del APG) son los que proporcionaron una mayor detergencia, alcanzándose valores próximos al 90%. Por último, en el Capítulo 6 se exponen las principales conclusiones generales derivadas de los distintos trabajos de investigación presentados en esta Tesis Doctoral. SUMMARY OF THE Ph. D. THESIS Study of detergent formulations and cleaning methods of starch in the food industry using micro/nanoparticles, enzymes and surfactants Introduction and objectives In this Ph.D. Thesis the study has focused on the use of different detergent formulations and cleaning methods for the removal of dried starch adhered to hard surfaces, particularly stainless steel. Starch is a valuable ingredient in the food industry for different food preparations and products, being used for thickening, gelling, and as a water-retention agent too. Starchy soils hinder the CIP (Clean-In-Place) processes, as they are difficult to remove because of its adherence to internal surfaces in pipes and accessories. On the other hand, stainless steel is the material commonly used in the manufacture of equipment for food industry. In recent years detergent formulations for hostelry and food industry are evolving into more efficient compositions from an economic and environmental point of view, being their compositions optimized. This evolution pursues the goals of reduction of energy consumption as well as the improvement in surfaces protection and in biodegradability of the waste water of the cleaning processes. These requirements have been considered in this work when the detergent formulations used for the cleaning of dried starch has been developed. Specifically, different formulations have been studied according to the following guidelines: - Use of eco-friendly, readily biodegradable and low toxicity surfactants. - Use of enzymatic solutions, allowing shorter cleaning times, lower water and energy consumption and low temperature and pH conditions near neutrality. - Use of micro- and nanoparticles, which may increase cleaning efficiency because of their influence in surface phenomena related with cleaning processes and due to their potential abrasive effect. Also, in recent years new cleaning and disinfection methods have been developed in food industry, such as those based on water (or salt solutions) electrolysis. Electrolyzed water contributes to the design of cleaning processes with low costs and minimum environmental impact. High cleaning and disinfection efficiency is obtained with these methods in pipes and equipment in dairy industry. In this Thesis the influence of the inclusion of micro- and nanoparticles as well as the enzyme α-amylase as ingredients in detergent formulations for cleaning dried starch has been studied. The efficiency of these formulations has been measured by means of standardized cleaning tests. Also, a new cleaning method for starch adhered to metallic surfaces using direct current has been developed. Materials and methods In this work the detergency of the starch adhered to stainless steel surfaces has been assessed. To that effect seven surfactants, both anionic and non ionic, belonging to five different families have been studied: a linear alkylbenzene sulfonate (LAS), two alkyl ether carboxylic acids (ECA), an ethoxylated alcohol (AE), an alkylpolyglucoside (APG) and two polyoxyethylene mono- and diglycerides (PGE). AE concentration was determined by the iodine-iodide colorimetric method while APG concentration was assessed by the anthrone method. The enzyme used in this research is a thermostable α-amylase from Bacillus Licheniformis. Enzymatic activity was measured regularly using the iodometric method to assess the α-amylase stability during the testing period. The surfactant competes with iodine to form complexes with starch, interfering in the accuracy of iodometric method. This is the reason why the enzymatic activity in the presence of surfactants has been measured by the DNS method too. The influence of the inclusion of five micro- and nanoparticles with different characteristics and composition (silica and magnetite) on the cleaning of dried starch adhered to stainless steel has been studied. The particles selected are widely used as additives in many different chemical products. Their stability in aqueous surfactants solutions has been studied. In order to know the role of the particles when they are part of a detergent solution, their interaction with the non ionic surfactants AE and APG in aqueous solution was studied. Suspensions with different particle concentrations in 1 g/L surfactant solutions were prepared, being the particles separated afterwards by centrifugation or a magnetic field. After that, surfactant concentration in the liquid supernatant was determined. The detergency of the formulations studied in this work (with different surfactants, enzyme and/or particles) has been evaluated by the patented device Bath-Substrate-Flow (BSF), designed for testing the cleaning efficiency of washing formulations in hard surfaces simulating a CIP system. The substrate used was a set of spherical wads of stainless-steel fibres soiled with gelatinized corn starch and dried afterwards. The BSF device allows the modification of important variables in the detersive process: substrate, soil, washing bath composition, pH, temperature and flow rate. The detergency in each washing test was obtained measuring the starch concentration in the washing bath at different testing times using the phenol-sulfuric colorimetric method. Finally, a device and procedure for cleaning starch adhered to stainless steel by means of electrocleaning has been developed and patented. The device is based on the flow of direct current between two electrodes connected to a DC generator, one of them being connected to the soiled substrate. The electrocleaning device has been designed for the study of the influence of different variables in the detergency, such as temperature, polarity, time, washing bath composition and voltage. Optimal operation conditions can be obtained evaluating these effects. Results and discussion Interaction between silica or magnetite particles and the surfactants AE and APG has been studied measuring the surfactant concentration in the liquid supernatant of aqueous suspensions prepared with these particles. It has been observed that AE surfactant adsorbs on all the particles studied, decreasing its concentration in the supernatant with respect to the initial concentration (1 g/L). This decrease was much higher in suspensions with microparticles Sipernat 50 (S50), so these particles were taken as a reference for the later detergency study with washing formulations including particles. The cleaning study of dried starch with detergent formulations including the particles S50 was based on a complete factorial design 23 where the factors considered were particle concentration, pH and flow rate. This design was used with three different washing formulations: S50 aqueous suspension with constant pH, S50 aqueous suspension with constant pH and AE 1 g/L and S50 aqueous suspension with constant pH and APG 1 g/L. A model for detergency at the end of the test (45 minutes) was obtained, finding that in all three suspensions studied detergency was fixed to an empirical lineal model with factors interaction and with addition of a quadratic pH term. The factor with the most significant effect in detergency is pH, reaching the highest values at pH = 13. The increase of flow rate has a positive influence on detergency too, but in a lesser extent. Particle concentration has different effects depending on the type of solution studied; it doesn’t affect to the detergency of pH 13 solutions without surfactant and the detergency values in pH 13 solutions with AE (1 g/L) decreases when the concentration of particles S50 increases. Finally, detergency obtained with pH 13 solutions with APG increases when particle concentration increases and flow rate is high too, finding the optimal detergency value for the solution with APG (1 g/L). Amylase activity was measured by the DNS method reproducing the experimental conditions used in the washing tests with enzymatic solutions in BSF device (pH 7, 60 ºC). It has been found that the enzymatic activity is not altered in the presence of any of the aforementioned surfactants. This result leads to consider the inclusion of the α-amylase in these surfactant solutions and measure their washing efficiency on dried starch. Washing tests carried out with enzymatic solutions reveal the importance of temperature and enzyme concentration on detergency. Detergency of enzymatic formulations is significant at mild pH values at 60ºC. The incorporation of particles S50 has not noticeable effects on detergency. Moreover, washing tests in BSF device were carried out at 40ºC and 60 ºC with pH 7 solutions with α-amilase (0.06 g/L) and each one of the surfactants studied (1 g/L). Detergency did not increase with the presence of none of the surfactants and when AE or ECA-OE3 was included in the enzymatic solution detergency at the end of the test decreased. When the surfactant AE was used it was found also that this effect was emphasized when the washing time and surfactant concentration increased. The study of the cleaning of dried starch adhered to stainless steel by means of direct current was made in the electrocleaning device, assessing the influence of different factors on detergency: voltage (0-10 V), time (10-20 minutes), polarity inversion, pH (1-13), wettability time before the current flow (10-20 minutes) and temperature (10-60 ºC). Results obtained led to the definition of optimal conditions for the cleaning process in this experimental device, according to energy saving and cleaning efficiency criterion. It has been found that these optimal conditions are reached with a cleaning solution with pH 13, applying 5V current during 20 minutes at 20 ºC. Eventually, the influence of surfactants added to the washing solution (concentration 1 g/L) in the electrocleaning process was studied. In the optimal cleaning conditions described aboved the addition of all the surfactants tested increased detergency results. The highest values of detergency, reaching values near to 90%, were obtained with the non ionic surfactants (with the exception of APG). Finally, the main conclusions from the research work done for this Ph.D. Thesis are presented in Chapter 6.