Biotecnologia Aplicada Elfos Scientiae ISSN: 0684-4551 Vol. 13, Num. 2, 1996, pp. 89-91

Nuevo enfoque del factor Q10 segun la teoria de la concepcion b para el calculo del efecto f de esterilizacion

Luis F de la Cruz Figueroa

Recibido en mayo de 1995. Aprobado en marzo de 1996.

Centro de Biomateriales, Universidad de la Habana, Ave. Universidad entre G y Ronda, Plaza 10400, Ciudad de la Habana.

Code Number: BA96037
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Abstract

It is known the Q10 factor for comparing different microorganism types and strains and different biological reactions which follow first order kinetics law. This empirical value at its time introduced on a similar basis as the Vant-Hoff's thermal coefficient for reaction rates, is thereby analyzed and a new Q10= 10^10.B/[T(T10)] dependence evolved on an Arrhenius equation basis with the help of the B- Conception theory for sterilization practice. It is ascertained in this way, that the Q10 magnitude is actually temperature-dependent and changes for the analyzed microorganisms in the study ranges approximate interval. These are very different values from those usually accepted as a 2<=Q10<=4 interval for empirical calculations.

Key words: sterilization, F-effect, microorganism, disinfection, Arrhenius, Q10-factor

Resumen

Se conoce el factor Q10=10^10/Z para la caracterizacion de diferentes tipos y/o cepas de microorganismos y reacciones biologicas, que siguen la ley de primer orden. Se analiza aqui este valor empirico introducido por similitud con el coeficiente termico de Vant-Hoff de las velocidades de reaccion, y se obtiene una dependencia Q10= 10^10.B/[T(T10)] sobre la base de la ecuacion de Arrhenius mediante la teoria de la Concepcion B para la esterilizacion. Se comprueba de esta forma que la magnitud Q10 no es independiente de la temperatura y varia para los microorganismos analizados en los rangos de estudio en el intervalo 1.8<=Q10<=12 aproximadamente. Estos valores son muy diferentes de los valores usualmente aceptados para 2<=Q10<=4 en los calculos aproximados.

Palabras claves: esterilizacion, efecto F, microorganismo, desinfeccion, Arrhenius, factor Q10

Introduccion

La teoria empirica Q10 de Bigellow (1) ha sido ampliamente empleada para el calculo de los efectos de esterilizacion. Segdn esta teoria el factor Q10 muestra en cuantas veces varia la velocidad de muerte de los microorganismos si se cambia la temperatura de calentamiento en 10 K (2) o en cuantas veces disminuye el tiempo D de reduccion decimal de los microorganismos a temperatura constante, cuando la temperatura se aumenta en T=10 K (3). El factor Q10 se ha considerado vinculado directamente con el valor empirico Z de termorresistencia:

          log Q10=10/Z                        [1]

donde:
Z: coeficiente de termorresistencia, K

El factor Q10 se ha introducido por similitud con el coeficiente termico de las velocidades de reaccion de Vant-Hoff (4). Se considera que la velocidad de una reaccion quimica aumenta de dos a cuatro veces al elevarse la temperatura en DeltaT=10 K. El coeficiente se da por:

          ganma =k (T+10) / kT                [2]

A los efectos practicos este coeficiente se ha estimado en ganma=3 como termino medio (5).

Desde hace varios anos practicamente no existen publicaciones relacionadas con este tema, a pesar de que se ha insistido reiteradamente en la literatura sobre la inconsistencia de la aseveracion de la independencia del valor Z con respecto a la temperatura (2, 6-10). En este tema, nuestras investigaciones han conducido a la teoria de la Concepcion B (11, 12) basada en la ecuacion de Arrhenius:

          k=A.exp [-Ea/(RT)]                  [3]

donde:
k: constante de velocidad de inactivacion, min^-1
A: factor de frecuencia, min^-1 
Ea: energia de activacion, J/mol; 
R: constante universal de los gases, J/(mol.K), y 
T: temperatura absoluta, K 

Es conocido que (2, 13):

          tao=n.D;  D=2,303/k                 [4]

donde: 
n: grado de esterilizacion (numero de ordenes logaritmicos
disminuidos en la cantidad de microorganismos viables)
D=DT: tiempo de reduccion decimal, min
tao: tiempo de muerte termica, min (2, 13).

Sustituyendo [3] en [4], transformando y agrupando

          log tao=log A0  BT^-1               [5]

donde: 
A0: constante caracteristica, min

          B=Ea/(2,3026.R)                     [6]

donde:
B: coeficiente de termosensibilidad, K 

          taob=taoa alog [B(Tb^-1 - Ta^-1)]   [7]

donde el operador:
          alog [f (x)] = 10f (x)              [8]
De [7]:   B=log (taob/taoa)/(Tb^-1 - Ta^-1).  [9]

          Fr=tao. alog [B (Tr^-1 - T^-1)] = F.KB  [10]

          F=Fr KB^-1                          [11]

donde:
KB=alog [B(Tr^-1 -T^-1)] - nuevo coeficiente de velocidad
letal
Tr: temperatura absoluta de referencia (patron), K;
taor: tiempo de muerte termica a la temperatura Tr de
referencia, min

La energia de activacion Ea de Arrhenius es un parametro mas estable y consistente que Z; por ello, tambien lo es el coeficiente B. La importancia del valor B exige precisar su relacion con el factor Q10 y el coeficiente termico ganma. Esta dependencia no esta suficientemente desarrollada.

El objetivo del presente trabajo comprende el determinar los vinculos existentes entre los valores Q10, gy B, y definir una relacion mas estable y consistente para el valor Q10.

Materiales y Metodos

Se analizaron datos cineticos de muerte termica de microorganismos reportados por Akterjan et al. (14, 15) y del Clostridium botulinum publicados por Esty y Meyer (16).

El tratamiento estadistico de los datos se realiza por metodos usuales de regresion lineal (17).

Resultados y Discusion

Analisis teorico

Sea el coeficiente termico ganma de velocidad de inactivacion de los microorganismos (ec.[2]). Puesto que de [4]:

          k=2,3026/D, min^-1; tao=n.D, min   [12]

          ganma=DT/D(T+10)=taoT/tao(T+10)=Q10  [13]

Se evidencia que el factor ganma, el cual indica en cuantas veces se incrementa la velocidad de inactivacion, es equivalente a la disminucion del valor D de termorresistencia o la disminucion del tiempo de muerte termica de los microorganismos al incrementarse la temperatura en DeltaT = 10 K. Esto por definicion es igual al valor Q10 (3).

En concordancia con nuestra teorRa de la Concepcion B (11, 12) de [5] y [13] asignando, y sustituyendo se obtiene

           log Q10=B.[T-1-(T10)-1]              [14]

Transformando [14],

           log Q10=10.B/[T(T10)]                [15]

Definiendo:

          W=10/[T(T10)],K^-1                   [16]

sustituyendo [16] en [15]

          log Q10=B.W                           [17]

donde:
          Q10=10B.W=alog(B.W)=g                 [18]

La dependencia [15] demuestra que Q10 no es independiente de la temperatura, a diferencia de lo que se venia asumiendo hasta ahora segdn [1] y [2].

El factor Q10 [1] se estimo constante hasta ahora por haberse determinado en funcion de Z. De [13]:

          Q10=taot/tao(t+10),                  [19]

donde:
t: temperatura, C

Puesto que, segun la teoria Q10, se ha supuesto que

          taot=tao(t+10)^.10[(t+10)-t]^/.Z, min  [20]

entonces:

 Q10 = 1010/Z                     [21]

           y log Q10 = 10/Z                             [22]

La ecuacion [22] es identica a la [1], en ella el valor Z es tomado erroneamente como constante. Es por ello que las dependencias [22] y [15] no coinciden.

El vinculo [15] parte de una relacion mas confiable de las velocidades de inactivacion en funcion de la temperatura, lo cual se obtiene de la ecuacion de Arrhenius (4).

En concordancia con esto, la relacion [15] es mas confiable y real, y considera ademas la influencia de la temperatura.

Tabla 1. Valores limites de Q10^B y Q10^Z para microorganismos reportados por Akterjan (14, 15). (B= Ea/(2,3026.R) es el coeficiente de termosensibilidad de acuerdo con [6]).

Micro-       Cepa   Medio   Intervalo Z,K  B,K   Q10Z  (Q10^B) (Q10^B) 
organismo                   de temp.C                   max     min
----------------------------------------------------------------------
Cl.           A     pH=7      100-120 10,3 14200  9,35  9,84   7,87
botulinum     -     ikra      115-121  8,8 17400 13,69 13,36  12,37
              B-364 ensalada  115-121 10,1 15200  9,77  9,63   9,0
              -     carne     100-125 29,3  5080  2,19  2,27   2,05
Bac.          1 578    -      100-130  8,8  7150 13,69 13,76  10,71
subtilis      -     carne     100-125 38,1  3870  1,83  1,86   1,73
              -     almibar   100-125 21,0  7090  2,99  3,13   2,73
Bac.          -     petitpois 104-121 11,2 13290  7,81  8,13   6,83
stearother    -     zanahoria 110-147 17,1  9460  3,84  4,25   3,34
mophilus      7 954 agua      103-119 10,6 13930  8,78  9,1    7,64
              -     -         118-160  9,5 17930 11,29 13,89   8,19
Bac.          -     pescado   100-125  3,4  3980  1,85  1,9    1,76
Mesentericus  -     caldo     100-125 36,3  4100  1,88  1,94   1,79
Termofilos    26    extracto  100-140 11,7 13250  7,16  8,45   5,73                 
                    de maiz                           
              1 390           100-140 11,8 13140  7,04  8,3    5,64
              1 503 pH=6,1    100-135 11,0 13900  8,11  9,38   6,52
              1 592 -         100-140 11,4 13600  7,54  8,94   6,0 
              1 356 pH=6,1    100-125 10,0 14890 10,0  11,00   8,25 
Varios        -     pasta      85-130 19,3  7540  3,3   3,73   2,84
                    tomate                                    
              -     -          92-135 16,6  9040  4,0   4,57   3,38
              -     pH=4,5     71-100 14,9  8650  4,69  9,75   4,04

Discusion

En la Tabla 1 se muestra los resultados del analisis de la magnitud Q10 para microorganismos segun (15, 16).

Se observa una gran variacion respecto a los valores estimados para las reacciones quimicas. En la tabla se dan los valores de Q10 calculados por Z: Q10^Z. Se constata que mas del 66 % de los valores estan por encima del valor medio Q10 = 3 generalmente aceptado y a su vez son inferiores a (Q10^B)max y superiores a (Q10^B)min correspondientes a sus intervalos de temperatura, por lo que al emplearlos se introduciran errores apreciables en la evaluacion de la proporcion de los cambios en la velocidad de inactivacion o de los cambios en los tiempos de muerte termica de los microorganismos.

Al analizar los valores de (Q10^B)max se detecta que mas del 71 % de los valores analizados superan al valor medio de Q10. Al observar los valores de (Q10^B)min se encuentra que mas del 61 % de los mismos superan a dicho valor medio Q10.

Debe interpretarse que para las reacciones de inactivacion de los microorganismos no se debe emplear el valor Q10= 2 a 4, ni su valor medio Q10=3. El valor Q10^Z no es aceptable para los calculos.

Conclusiones

Se ha encontrado un nueva dependencia Q10 (ec. [18]) de la temperatura por medio del coeficiente B de termosensibilidad la cual se considera mas adecuada, estable y consistente que la anteriormente conocida en funciin de Z en la esterilizacion. Se observa que para una misma temperatura, al aumentar el valor B se incrementa la proporcion en que disminuye el tiempo de muerte termica si se aumenta la temperatura en DeltaT = 10 K.

El factor Q10^Z no es adecuado para evaluar cambios de la proporcion en que disminuyen los tiempos de muerte termica de los microorganismos al aumentar la temperatura en DeltaT = 10 K.

La funcion Q10 es equivalente al coeficiente termico [18] de las velocidades de reaccion.

No se debe emplear valores empiricos medios de Q10 para la evaluacion de velocidades de inactivacion de los microorganismos, puesto que en determinados intervalos la disminucion de Q10^B con la temperatura puede alcanzar hasta DeltaQ10^B aproximadamente igual a 5.

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