procesado con altas presiones hidrostáticas y sus efectos en los
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Pedro D. Sanz [email protected]
INNOTECHFOOD. Procesos Innovadores y Calidad en Alimentos
Departamento de ProcesosInstituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos y Nutrición
(ICTAN)Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Procesado con altas presiones hidrostáticas y sus efectos en los
alimentos
VI Escuela de Altas Presiones, Oviedo, 24 de Mayo de 2013
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ALTASEGURIDAD MICROBIOLÓGICA
MÍNIMA ALTERACIÓNCARACTERÍSTICAS
ORGANOLÉPTICAS Y NUTRICIONALES
PROLONGACIÓNVIDA ÚTIL
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Melanoidinas: un azúcar reductor y un grupo amino libre.
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T ambiente
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T <> p <> μ
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Percy Williams Bridgman (Cambridge, 1881-1961)
•1905: Inicio
•1914: Desnaturalización proteica de la clara de huevo a 300 MPa
•1946: Nobel de Física
problemas tecnológicos provocaron un retraso de más de 70 años
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1 bar = 0.989 atm
= 1.03322 kp/cm2
1 Pascal = 1 N/m2
1 Pa = 10-5 bar
Unidades
10 m x 1cm2
Fuerza / Superficie
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Alta Presión Hidrostática
300-900 MPa
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Realizar el cálculo aproximado que permita deducir que 400 MPa equivale a la presión ejercida por una
masa de 4000 kg sobre 1 cm2
• g=10 m/s2
• cm2= m2 / 10 000• 4 000 x 10 = 40 000• 40 000/ 10-4 = 4 00 000 000 Pa
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ALTA PRESIÓN HIDROSTÁTICA:
Tecnología emergenteProlongación vida útil de los alimentosInactivación microbiana y/o enzimáticaBajo consumo energéticoRespeto al medio ambiente
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En un líquido, la presión se transmite integralmente y en todas la direcciones.
No va a depender ni del tamaño ni de la geometría del alimento
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Métodos de conservaciónALTAS PRESIONES
La presión ejercida en cualquier parte de un
fluido incompresible y en equilibrio dentro en un
recipiente de paredes indeformables, se
transmite con igual intensidad en todas las
direcciones y en todos los puntos del fluido
Principio de Pascal
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ALTA PRESIÓN HIDROSTÁTICA:
Líquido transmisor de presión
BombaHidráulica
Vasijade
Altapresión
< 19%, no aire< 121ºC
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Le Châtelier, 1884
“Si un sistema en equilibrio es perturbado por un cambio de temperatura, presión o concentración de uno de sus componentes, el sistema desplazará su posición de equilibrio de modo que se contrarreste el efecto de la perturbación.”
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HIGH-PRESSURE FOOD TECHNOLOGY
Fundamental principles:
• Le Chatelier
•Pascal
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ETAPAS DEL PROCESO
Pre
sión
(MP
a)
Tiempo (s)
Presión constante
• Aumento de la temperatura• Transmisión simultánea de energía,
masa y momento
• Intercambio de calor• Distribución de temperatura
dependiente del tiempo
• Despresurización• Descarga del producto
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600 kg/h
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(a) Model Quintus Type QFP 687L-310. Courtesy of Avure Technologies, Kent, WA, USA
(b) Model Wave 6000-55Courtesy of NC Hyperbaric, Burgos, Spain
450 Litros
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(b) Pressure vessel technologies
Wire wound
No pressure Pressure
Concentric cylinders
Monoblock
Yoke
Vessel plug
(c) Horizontal wire wound vessel with vessel plugs supported by wire-wound yoke
Vessel plugs
(a) Pressure intensifier
Low
P fl
uid
Hig
h P
fluid
Seal
High P oil Low P oil
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1. Efecto de la presión sobre los componentes de los alimentos
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Las reacciones (cambios conformacionales, transiciones de fase,…) que implican una disminución de volumen son favorecidas a alta presión
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agua líquida
Hielo I
III
II
V
VI
Cambio de fase de primer orden: congelación del agua
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Enlace ∆V (mL mol-1) Efecto de la presión
Covalente +10 Estabilización
Hidrógeno +3 a -1Estabilización o
baja desestebilización
Iónico -10 Desestabilización
Hidrofóbico <0(-1 a -20) Desestabilización
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ProteínasEstructura Primaria
aminoácidos
Estructura Secundaria
Estructura Ternaria Estructura Cuaternaria
Enlaces de hidrógeno entre aminoácidos
Más de una cadena de aminoácidos
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1 m
10 m
Banda ILínea Z
Banda A
Zona HLínea M
Sarcómero
1 m
Cristales de hielo
10 m
1 m
10 m
1 m
CONGELACIÓN EN TÚNEL TRATAMIENTO A 200 MPaSIN CONGELAR
CONGELACIÓN PORCAMBIO DE PRESIÓN
Fernández-Martín, F.; Otero, L.; Solas, M. T. y Sanz, P. D. 2000. Protein denaturation and structural damage during high-pressure-shift freezing of porcine and bovine muscle. Journal of Food Science, 65(6), 1002-1008.
EFECTOS EN LA MICROESTRUCTURA: Alimentos origen animal
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Parámetros cromáticos:
Capacidad de retención de agua (CRA)
L ↑ a ↓ b ↑
CRA ↓
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Actomyosina 200 MPa
Mioglobina 400 MPa
400 MPa lípidos insaturados se oxidan más(haemosiderina y ferritina?) y/o a los cambios en la membrana lipídica
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pre-rigor & (100 -150) MPa, más tierna.
post-rigor & (100 - 200 MPa) & T < 60ºC, más tierna
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• Mono- o di-sacáridos: ej. Sacarosa
• Polisacáridos: ej. Almidón
Carbohidratos
Amilosa
Amilopectina
capas de amilopectina entre las cuales se encuentra la amilosa
La presión es capaz de desorganizar esta estructura dando lugar a un gel
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Almidón de trigo
400MPa, 40ºC, 20min
0.1MPa, 40ºC, 20min
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Almidón
•La alta presión puede bajar su temperatura de gelatinización.
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Inactivación enzimática
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Sin tratamientoCon tratamiento:
Enzimas Inactivadas
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Temperature, oC
0
200
400
600
800Pressure, M
PaGreen bean, in situGreen bean, in juiceSoybeanPear, in juicePear, in situ
(c) Lipoxygenase inactivation
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• En general, los enlaces covalentes no cambian mientras que los enlaces débiles sí.
• La presión actúa de un modo diferente al de la temperatura en base al principio de Le Châtelier
En resumen
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Inactivación microbiana
Espuña, alarga la vida útil del producto evitando a la vez el desarrollo de sabores y aromas ácidos hasta 60 días después de un tratamiento de 6 a 10min a 400-600MPa
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Esporas
Células vegetativas
Presión (MPa)
log
(Pob
. Fin
./Pob
. Ini
.)
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Manorresistencia Mohos y levaduras bacterias Gram negativas virus con envoltura hongos bacterias Gram positivas virus desnudos esporas bacterianas
• Las esporas bacterianas, no son afectadas.
Inactivación = f ( p, T, t, nº ciclos )
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Tecnologías combinadas
Alta presión + Temperaturas moderadasMayor efecto letal de la presión
Tiempos de pasteurización reducidos
Alta presión + Altas temperaturas
Inactivación microbiana: formas vegetativas y esporas
Alimentos estables a temperatura ambiente
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Conventional Thermal ProcessingImpact of data variability on the risk of under processing (an example with published data for canned mushroom)
= 5.96 min
(a)
0
5
10
15
20
25
-22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3
log N* (CFU/container)
Freq
uenc
y (%
)
110F
(b)
0
5
10
15
20
25
-22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3
log N* (CFU/container)
Freq
uenc
y (%
)
F110increased = 8.89 min
55%under processing risk
Safe processes
5% under processing risk
Safe processes
August 26, 2008
Canadian health officials now say 12 deaths have been linked to a listeriosis outbreak from a Food Companyplant in North York, Ontario.
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Combined Processes at Moderate (<100C)
Temperature
Combined Processes at Moderate (<100C)
Temperature
Combined Processesat High (>100C) Temperature
Pressure/temperaturecombination increases spore inactivation rate
Compression heating & decompression cooling
Pressure pulsing Pressure-shifted pH
Insufficient to achieveinactivation
Paredes-Sabja et al 2007. J.Food Sci 72 (6): M202-M206
Plus: Control of bacterial spore germination
Germinant identification
Kinetics of germination
Molecularmechanisms
Paredes-Sabja & Torres. 2009. JFPE. (E-accepted)
Paredes-Sabja et al 2009. Food Microbiology 26(3): 272-277
Plus: T sufficient to achieveinactivation
Quality degradation Reaction kinetics
at high P/T
Perez-Lamela & Torres. 2008. AgroFOOD Industry Hi-Tech. 19 (3): 60-62 & 19 (4): 34-36.
Torres & Velazquez. 2008. In Food processing operations modeling, CRC Press
Ramirez et al 2009. Food Engineering Reviews 1:16–30
Inactivation of Bacterial Spores:Pressure-Assisted Thermal Processing, PATP
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Procesos térmicos asistidos por presión(PTAP)
• Primera tecnología de alimentos que nace para ir en contra de nuestra experiencia de que los procesos de conservación logran la estabilidad microbiológica y enzimática de los alimentos pero a costa de cambios químicos generalmente severos
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However, commercial production of PATP foods has not been reported.
‘Novel Foods’ law (May 1997): significant modifications in the composition and/or structure of the foods or food ingredients which affect their nutritional value, metabolism or level of undesirable substances
PATP-sterilization process submitted in 2008 for FDA review required no such characterization
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INNOTECHFOOD. Procesos Innovadores y Calidad en Alimentos