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Procesado con altas presiones
hidrostáticas y sus efectos en los
alimentos
Pedro D. Sanz
[email protected]
INNOTECHFOOD. Procesos Innovadores y Calidad en
Alimentos
Departamento de Procesos
Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos y Nutrición
(ICTAN)
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
VI Escuela de Altas Presiones, Oviedo, 24 de Mayo de 2013
ALTA
SEGURIDAD MICROBIOLÓGICA
MÍNIMA ALTERACIÓN
CARACTERÍSTICAS
ORGANOLÉPTICAS Y NUTRICIONALES
PROLONGACIÓN
VIDA ÚTIL
Melanoidinas: un azúcar reductor y un grupo amino libre.
T ambiente
T <> p <> μ
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
Unidades
Fuerza / Superficie
10 m x 1cm2
1 bar = 0.989 atm
= 1.03322 kp/cm2
1 Pa
1 Pascal = 1 N/m2
= 10-5 bar
Alta Presión
Hidrostática
300-900 MPa
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
ALTA PRESIÓN HIDROSTÁTICA:
Tecnología emergente
Prolongación vida útil de los alimentos
Inactivación microbiana y/o enzimática
Bajo consumo energético
Respeto al medio ambiente
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
Métodos de conservación
ALTAS PRESIONES
Principio de Pascal
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
ALTA PRESIÓN HIDROSTÁTICA:
< 19%,
no aire
< 121ºC
Líquido transmisor de presión
Bomba
Hidráulica
Vasija
de
Alta
presión
“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.”
Le Châtelier, 1884
HIGH-PRESSURE
FOOD TECHNOLOGY
Fundamental principles:
• Le Chatelier
•Pascal
ETAPAS DEL PROCESO
•
•
Presión (MPa)
Presión constante
Intercambio de calor
Distribución de temperatura
dependiente del tiempo
•
•
•
•
Aumento de la temperatura
Transmisión simultánea de energía,
masa y momento
Tiempo (s)
Despresurización
Descarga del producto
600 kg/h
(a) Model Quintus Type QFP 687L-310.
Courtesy of Avure Technologies, Kent, WA, USA
(b) Model Wave 6000-55
Courtesy of NC Hyperbaric, Burgos, Spain
450 Litros
Low P oil
No pressure
High P fluid
Low P fluid
High P oil
Seal
Pressure
Monoblock
(a) Pressure intensifier
Vessel plugs
Yoke
Wire wound
Vessel plug
Concentric
cylinders
(b) Pressure vessel technologies
(c) Horizontal wire wound vessel with
vessel plugs supported by wire-wound yoke
1. Efecto de la presión sobre los
componentes de los alimentos
Las reacciones (cambios
conformacionales,
transiciones de fase,…)
que implican una
disminución de volumen
son favorecidas a alta
presión
Cambio de fase de primer orden:
congelación del agua
agua líquida
VI
Hielo
I
V
III
II
Enlace
Covalente
∆V (mL mol-1)
+10
Hidrógeno
+3 a -1
Iónico
-10
Hidrofóbico
<0(-1 a -20)
Efecto de la
presión
Estabilización
Estabilización o
baja
desestebilización
Desestabilización
Desestabilización
Proteínas
Estructura Primaria
Estructura Secundaria
Enlaces de hidrógeno
entre aminoácidos
aminoácidos
Estructura Ternaria
Estructura Cuaternaria
Más de una cadena de aminoácidos
EFECTOS EN LA MICROESTRUCTURA: Alimentos origen animal
CONGELACIÓN EN TÚNEL
TRATAMIENTO A 200 MPa
SIN CONGELAR
CONGELACIÓN POR
CAMBIO DE PRESIÓN
10 m
10 m
10
m
Banda I
1
m
Línea Z
Zona H
Línea M
Banda A
Sarcómero
Cristales de hielo
1 m
1
m
1 m
Fernández-Martín, F.; Otero, L.; Solas, M. T. y Sanz, P. D. 2000. Protein denaturation and structural damage during high-pressureshift freezing of porcine and bovine muscle. Journal of Food Science, 65(6), 1002-1008.
Parámetros cromáticos:
L↑ a ↓ b ↑
Capacidad de retención de agua
(CRA)
CRA ↓
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
pre-rigor & (100 -150) MPa, más tierna.
post-rigor & (100 - 200 MPa) & T < 60ºC, más tierna
Carbohidratos
• Mono- o di-sacáridos: ej. Sacarosa
• Polisacáridos: ej. Almidón
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
0.1MPa, 40ºC, 20min
400MPa, 40ºC, 20min
Almidón
de trigo
Almidón
•La alta presión puede bajar su temperatura de gelatinización.
Inactivación enzimática
Sin tratamiento
Con tratamiento:
Enzimas Inactivadas
(c) Lipoxygenase inactivation
Green bean, in situ
Green bean, in juice
Soybean
Pear, in juice
Pear, in situ
Pressure, MPa
800
600
400
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Temperature, oC
80
90
100 110
120
En resumen
• 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
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
log (Pob. Fin./Pob. Ini.)
Esporas
Células
vegetativas
Presión (MPa)
Manorresistencia Mohos y levaduras bacterias
Gram negativas virus con envoltura hongos
bacterias Gram positivas virus desnudos
esporas bacterianas
Inactivación = f ( p, T, t, nº ciclos )
•
Las esporas bacterianas, no son afectadas.
Tecnologías combinadas
 Alta presión + Temperaturas moderadas
Mayor efecto letal de la presión
Tiempos de pasteurización reducidos
 Alta presión + Altas temperaturas
Inactivación microbiana: formas vegetativas y esporas
Alimentos estables a temperatura ambiente
Conventional Thermal Processing
Impact of data variability on the risk of under processing
(an example with published data for canned mushroom)
F110 = 5.96 min
F110increased = 8.89 min
25
25
(a)
(b)
15
20
Safe
processes
Safe
processes
15
10
10
5
5
0
0
-22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3
-22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3
log N* (CFU/container)
log N* (CFU/container)
55%
5%
under processing risk
under processing risk
August 26, 2008
Canadian health officials now say 12 deaths have been linked to a listeriosis outbreak from a Food Company
plant in North York, Ontario.
Frequency (%)
Frequency (%)
20
Inactivation of Bacterial Spores:
Pressure-Assisted Thermal Processing, PATP
Combined Processes at Moderate (<100C)
Temperature
 Pressure/temperature
combination increases spore inactivation rate
 Compression heating & decompression cooling
 Pressure pulsing
 Pressure-shifted pH  Insufficient to achieve
inactivation
 Paredes-Sabja et al 2007. J.
Food Sci 72 (6): M202-M206
Combined Processes at
Moderate (<100C)
Temperature
 Plus: Control of
bacterial spore
germination
Combined Processes
at High (>100C)
Temperature
 Plus: T sufficient to
achieve
inactivation
 Germinant
identification
 Kinetics of
germination
 Molecular
mechanisms
 Quality degradation
 Reaction kinetics
at high P/T
 Paredes-Sabja & Torres. 2009.
JFPE. (E-accepted)
 Paredes-Sabja et al 2009.
Food Microbiology 26(3): 272277
 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
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
PATP-sterilization process submitted in 2008 for FDA
review required no such characterization
‘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
However, commercial production of PATP foods has not been
reported.
INNOTECHFOOD.
Procesos Innovadores y Calidad en
Alimentos