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27/01/2011
IMPREGNACION A VACIO: FUNDAMENTOS Y
APLICACIONES EN EL DESARROLLO DE ALIMENTOS
FUNCIONALES
Pedro Fito y Noelia Betoret
DTA (Departamento de Tecnología de Alimentos)
IAD (Instituto de Ingeniería de Alimentos para el Desarrollo)
Universidad Politécnica de Valencia
ESPAÑA
Introducción:
El HDM y la VI.
Resumen histórico.
1
27/01/2011
Tratamientos a vacío: Primeras referencias
1
La aplicación de vacío se aplicó en el pasado para:
• En procesado mínimo de frutas incorporando aditivos
(Del Rio and Muller, 1979; Santerre et al., 1989)
• En procesos de deshidratación osmótica (Zozulevich
and D’yachenco, 1969; Hawkes and Flink, 1978).
• Eliminación de suero y aire en quesos chedar
((Reinhold et al., 1993).
)
Tratamientos a vacío: Primeras referencias
2
•
•
•
A principio de los años 90 Barret (Barret et al., 1990) y
Javeri (Javeri et al.,
al 1991) introducen el término de
vacuum infusion en el área de la ingeniería de
alimentos.
El término sigue utilizándose durante toda la década
de los 90, para hacer referencia a una operación de
tratamiento a vacío de frutas con soluciones
enzimáticas (Robert and Wicker, 1996; Baker and
Wicker, 1996); la operación facilitaba el pelado de
f t como la
frutas
l uva (Rouhana
(R h
and
d Mannheim,
M
h i 1994) o
los cítricos (Pao et al., 1997).
La incorporación de calcio en las disoluciones permitía
mejorar la firmeza de frutas como los melocotones
(Javeri et al., 1991) .
2
27/01/2011
Sin embargo no se aclaraban las razones del efecto del
vacío en los procesos…
• El grupo de Valencia (Fito, 1992 & 1994) explica el efecto del
vacío en productos porosos inmersos en un liquido, sometidos a
operaciones
i
d deshidratación
de
d hid t ió osmótica
óti
(
(manzanas
G
Granny
Smith).
• Las bajas presiones no justificaban los cambios observados en
la cinética.
• Los gradientes de presión externa-interna, espontáneos o
impuestos, actuaban como fuerzas impulsoras para producir
flujos hidrodinámicos.
• El g
gas atrapado
p
en los p
poros se comprime
p
o se expande
p
al
mismo tiempo que la solución externa entra en los mismos.
• Este fenómeno fue definido como mecanismo hidrodinámico
(Hydrodynamic mechanism: HDM) y su aplicación como
impregnación a vacío (Vacuum Impregnation: VI)
HDM & VI
•
Es en los años 1990 a 1993 cuando (Mata 1990;
Pastor 1992; Fito et al. 1993), basándose en
observaciones experimentales, explican el efecto de
la aplicación de presiones de vacío sobre la cinética
de la operación de deshidratación osmótica,
osmótica
describiendo un nuevo mecanismo de transporte: el
hidrodinámico (HDM). Además sentaron las bases de
la operación de impregnación a vacío (VI) que
describirán de forma rigurosa en los años
posteriores (Fito, 1992, 1994a; Fito, 1994b; Fito &
Pastor, 1994; Fito & Chiralt, 1995; Fito et al., 1996).
Posteriormente Saurel,
Saurel Raoult y Rastogi realizan
aportaciones importantes en relación a los
mecanismos de transferencia de masa implicados en
el proceso de deshidratación osmótica con
aplicación de vacío (Saurel et al., 1994a; Saurel et al.,
1994b; Raoult-Wack & Rios, 1994; Rastogi &
Raghavarao, 1996).
3
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Vacuum Impregnation (or Vacuum Infusion)
• Impregnate
• To make a substance
p
through
g an
spread
area (or volume) so
that the area (or
volume) is full of the
substance (“the pad is
impregnated with
insecticide”)
• To make a woman or
female animal pregnant
• infusion
• The act to adding sth to
sth else in order to
make it stronger or
more successful
• A drink or medicine
made by soaking herbs,
etc. in hot water
Oxford dictionary, 6th ed. 2000
HDM-VI: desarrollo histórico
• En los últimos años los trabajos se han
centrado en:
–L
La descripción
d
i ió y ell establecimiento
t bl i i t de
d las
l
bases de nuevas operaciones y/o procesos.
– Estudio de las operaciones y/o procesos
propuestos y el análisis del efecto de
diferentes variables.
– Análisis del efecto de las nuevas operaciones
y/o procesos sobre las propiedades físicoquímicas, estructurales y de calidad del
producto final.
4
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Hitos en el desarrollo histórico
•
•
•
•
•
•
Descripción de la operación de infusión a vacío y análisis
de algunas propiedades físicas de los alimentos en
relación a la aplicación de dicha operación.
operación
Aplicación de la infusión a vacío en el pelado enzimático
de diferentes frutas.
Efecto de la aplicación de vacío sobre la cinética de la
operación de deshidratación osmótica.
Fundamentos de la operación de impregnación a vacío.
Mecanismos de transferencia de materia, modelo
g experimental
p
para la operación
p
p
matemático y metodología
de impregnación a vacío.
La impregnación a vacío como operación básica de interés
en el procesado de alimentos y en el desarrollo de nuevos
productos: aplicaciones.
What the HDM & VI are? The model
• The model of this mechanism predicts the entry of an external
liquid in a porous product when any overpressure is applied in the
system; nevertheless liquid will be released when the product
returns to normal pressure. The advantage of the HDM action after
a vacuum p
period in the system
y
lies in the p
partial g
gas release
throughout this period while the mechanical equilibrium is being
achieved; the restoring of atmospheric pressure implies
compression only of the residual gas and flow into the pores of the
external liquid. Therefore, the product remains filled with the liquid
phase at normal pressure.
• From the HDM model it is possible to predict the amount of liquid
that can be introduced in a porous food with different aims:
modifying
y g the composition,
p
introducing
g additives, salting,
g etc., and
it is also possible to evaluate the effectiveness of a vacuum
treatment in expelling internal gas or liquid.
5
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Operación de Impregnación a Vacío (IV)
(Fito et al.,1992,
1994, 1996)
Modelo en una matriz rígida
•Fracción volumétrica del producto
impregnada por el liquido externo.
Etapa 0
pe=patm
pi=pe+pc
⎛ 1⎞
⎛ 1⎞
X = ε e ⎜1 − ⎟ ≈ ε e ⎜ 1 − ⎟
⎝ r⎠
⎝ R⎠
r=
p 2 + pc
p1
R=
Etapa 1
pe=p1<patm
p2
p1
te=t1
pi=pe+pc
•Fracción
Fracción volumétrica impregnada
en una matriz viscoelástica.
εe =
( X −γ )r +γ1
r −1
VI
Etapa 2
Pmo e=p2=patm
te=t2
pi=pe+pc
HDM & Fenómenos de transporte de materia
Hipótesis
• la energía mecánica acumulada en la matriz del alimento durante
el secado p
por las deformaciones…
• se relaja dando lugar a gradientes de presión que generan flujos
del liquido exterior hacia el interior de la estructura.
t’=t-to
Chile, 2003
6
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Modelo del HDM-VI para
estructuras rígidas
Young Laplace equation
Young-Laplace
pc =
4σ
D
32μz 2
dx
Kinetics of bulk mass transport − Δp +
xv
=0
2
dt
D
Mechanical equilibrium
1
1
X = ε e (1 − ) ≈ ε e (1 − )
r
R
xv =
p 2 + p c − p1
p 2 + pc
xv =
pc
p2 + pc
R=
p2
p1
(Fito, 1992; Fito and Pastor, 1994)
xv
Niveles de impregnación según la presión
aplicada
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
200
400
600
xv (c, 160)
xv (c, 10)
xv (r, 160)
xv (R)
xv (r, 10)
800
1000
p (mbar)
Influence of vacuum pressure on the pore volume fraction
impregnated by capillary forces (xv (c)), or by external imposed pressure,
considering (xv (r)) and not considering (xv (R)) capillary contribution,
for 160 and 10 μm diameters. (Fito,1994; Fito and Chiralt 1999)
7
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HDM-VI Modelo para estructuras
viscoelásticas
• El modelo HDM se aplicó a productos con
comportamiento viscoelástico, en los que se
acoplan fenómenos de transferencia de materia con
otros de deformación relajación (DRP) (Fito and
Chiralt, 1996; Fito et al., 1996
Equilibrio mecánico:
( X − γ ) r + γ1
εe =
r −1
Cinética del HDM-VI
Pressure-Impregnation
Pressure
Impregnation relationship
Kinetic equation
Reduced impregnation level
1
k =1+
x ve
Equilibrium parameter
1 − x ve
− Δp = p 2 (
− 1)
1− xv
⎡
⎛ 1 − x r ⎞⎤
t
1
⎟⎟⎥
= − ( x 2r − x 2ro ) − k ⎢(x r − x ro ) + ln⎜⎜
B
2
⎝ 1 − x ro ⎠⎦
⎣
xr =
xv
x ve
⎛ eF1 ⎞
p2
⎜
⎟
B = 8μ
2 ⎜
(p 2 − p1 ) ⎝ rp ⎟⎠
2
Impregnation liquid viscosity, operation pressure,
and structure characteristics parameter
8
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Aplicaciones del HDM-IV
Tabla I.
VIn and physical
properties
VIn and enzymatic peeling
(Barret et al., 1990)
1990
(Javeri
(J
ve eet al.,., 1991)
99 )
1991
1992
1993 (Wei-Chi & Sastry, 1993)
1994
(Moreira et al., 1994)
VI and osmotic
dehydration
VI and mass
transfer
(Soffer & Chaim, 1994)
(Rouhana & Mannheim, 1994)
(Baker & Wicker., 1996)
(Rastogi & Raghavarao,
1996)
(Fito, 1994a) patent
(Fito, 1994b)
(Fito & Pastor, 1994)
(Fito & Chiralt, 1995)
(Shi & Fito, 1994)
(Shi et al., 1995)
(Fito et al., 1996)
(Chiralt & Fito, 1996)
(Andres et al., 1997)
(Martinez-Monzo et
al., 1997)
(Guamis et al., 1997)
(Castro et al.,
al 1997)
(Pao et al., 1997a)
(Pao et al., 1997b)
(Pretel et al., 1997)
(Del Valle et al.,
1998)
(Pao & Petracek, 1998)
1998
VI, processes and
new products
(Fito, 1992)
(Shi & Fito, 1993)
(Fito et al., 1993)
(Saurel et al., 1994a)
(Saurel et al., 1994b)
(Raoult-Wack & Rios, 1994)
1995
1996
1997
Fundamentals of VI
(Barat et al., 1998)
(Barat et al., 1999)
1999
(Salvatori et al., 1998)
(Martinez-Monzo et
al., 1998a, b)
(Sousa et al., 1998)
(Nieto et al,. 1998)
(Chiralt et al.,
1999a, b)
(Martin et al., 1999)
(Salvatori et al.,
1999a, b)
(Gonzalez et al., 1999)
(Tapia et al., 1999)
Aplicaciones del HDM-IV
VIn and physical
properties
2000
VIn and enzymatic
peeling
VI and osmotic
dehydration
Fundamentals of VI
VI and mass transfer
(Culver et al., 2000)
2001 (Prakash et al., 2001)
(Roa et al., 2001)
(Barat et al., 2001c)
VI, processes and new products
(Escriche et al., 2000)
(Martinez-Monzo et al., 2000)
((Fito et al.,, 2000))
(Fito & Chiralt, 2000)
(Pavia et al., 2000a)
(Pavia et al., 2000b)
(Mastrangelo et al,. 2000)*
(Chafer et al., 2001a)
(Barat et al., 2001a)
(Rodriguez- Barona et al., 2001a)
(Rodriguez- Barona et al., 2001b)
(Martin et al., 2001a)
(Martin et al., 2001b)
(Gras et al., 2001)
(Fito et al., 2001a)
(Andujar et al., 2001)
(Barat et al., 2001b)
(Chafer et al
al., 2001b)
(Fito et al., 2001b)
(Chiralt et al., 2001a, b)
(Fito et al., 2001c)
(Fito et al., 2001d)
(Andres et al., 2001a)
(Martinez-Monzo et al., 2001)
(Barat et al., 2001d)
(Chafer et al., 2001c, d)
(Gonzalez et al., 2001)
(Andres et al., 2001b)
(Buguenyo et al., 2001)
(Fito et al., 2001e)
9
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Aplicaciones del HDM-IV
VIn and physical
properties
VIn and enzymatic peeling
VI and osmotic
dehydration
2002
VI and mass
transfer
VI, processes and new
products
(Rastogi et al., 2002)
(Shi et al., 2002)
(Gras et al., 2002)
(Gonzalez et al., 2002)
(Barat et al., 2002)
(Saurel et al., 2002) patent
(Mujica-Paz et al., 2002)
(Gras et al., 2003)
(Bugueno et al., 2003)
(Betoret et al., 2003)
(Degraefe et al., 2003)
(Mujica-Paz et al., 2003)
(Deumier et al., 2003)
Fundamentals of VI
2003
REFERENCES ORIGIN vs TIME
30
25
20
15
10
5
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
DTA
America Latina
North America
Europe-Asia
10
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Aplicaciones del HDM-IV
new operations or
processes proposed
Salting by VI
(Chiralt et al.,
al 1999a)
(Fito et al., 2001b)
(Fito et al., 2001d)
(Chiralt et al., 2001a)
(Fito et al., 2001c)
(Martinez-Monzo et al., 2001)
(Fito & Chiralt, 2000)
(Andres et al., 2001a)
(Gras et al., 2001)
(Fito et al., 2001a)
(Gras et al., 2002)
(Gras et al., 2003)
(Gonzalez et al., 2001)
Brining by VI
(Chiralt & Fito, 1996)
VI
Foods
Plant tissues
VI and OD
Salting by VI
Functional foods by VI
Cryoprotection by VI
VI
VI
Vegetables
Mineral fortification by VI
Cheese and
manchego type
cheese
bases of new process
proposed
Curd
Brine VI
(Chiralt et al., 1999b)
Cod
salting and desalting by VI
(Andres et al., 2001b)
Tasajo
Salmon
Brine VI
VI smoding
study of process and effect of new
process variables
(Gonzalez et al., 2002)
(Andres et al
al., 1997)
(Guamis et al., 1997)
(Gonzalez et al., 1999)
(Rodriguez- Barona et al., 2001a)
(Rodriguez- Barona et al., 2001b)
(Andujar et al., 2001)
(Buguenyo et al., 2001)
changes in
physicochemical
properties of final
product
(Bugueno et al., 2003)
Aplicaciones del HDM-IV
Fruits
Apple
ne operations or
new
processes proposed
bases of ne
new process
proposed
VI
Candying by VI
probiotic fortification by VI
VI
(Fito et al., 2000)
(Barat et al., 2001d)
(Betoret et al., 2003)
VI + AD + MW
(Fito et al., 2001e)
Vacuum osmotic dehydration
Cryoprotection by VI
VI with HM pectin
vacuum osmotic dehydration
Pineapple
Banana
Kiwi
Orange and
mandarin peel
candying by VI
VI
Vacuum Osmotic
dehydration
VI + OD
study
st
d of process and effect of changes in ph
physicochemical
sicochemical
new process variables
properties of final product
(Salvatori et al., 1998)
(Martin et al., 1999)
(Martin et al., 2001b)
(Salvatori et al., 1999a)
(Salvatori et al., 1999b)
(Barat et al., 2001b)
(Chiralt et al., 2001b)
(Martin et al., 2001a)
(Martinez-Monzo et al., 1997)
(Martinez-Monzo et al., 2000)
(Martinez-Monzo et al., 1998a)
(Martinez-Monzo et al., 1998b)
(Castro et al., 1997)
(Barat et al., 2001a)
(Barat et al., 2002)
(Sousa et al., 1998)
(Escriche et al., 2000)
(Chafer et al., 2001a)
(Chafer et al., 2001b)
(Chafer et al., 2001d)
(Chafer et al., 2001c)
11
27/01/2011
Aplicación del HDM-VI al desarrollo
de alimentos frescos funcionales
(Functional Foods Development)
INTRODUCCIÓN
CAMBIOS
BIOLÓGICOS
INGENIERÍA GENÉTICA
MEJORAS EN LAS TÉCNICAS
DE CULTIVO O CRÍA
METODOLOGÍAS
DISPONIBLES
PARA LA FABRICACIÓN
DE ALIMENTOS
ENRIQUECIDOS
INGENIERÍA DE
MATRICES
FORMULACIÓN DE
ALIMENTOS
CAMBIOS
TECNOLÓGICOS
OBTENER PRODUCTOS CUYAS CARACTERÍSTICAS
RESPONDAN MÁS ADECUADAMENTE A LAS
EXIGENCIAS DEL PRODUCTOR O CONSUMIDOR
12
27/01/2011
Mejoras en las técnicas de cultivo o
cría.
Potencialidad limitada, pero en algún caso han
permitido de una forma rápida
p
p
y relativamente
sencilla producir alimentos tradicionales con
características mejoradas.
Ejemplo: Sistema controlado de alimentación de
pollos (producto Biotene, US patent 5246717, 1993).
contenido mas bajo en colesterol y en grasas saturadas.
aumentan su concentración en ácidos grasos Omega-3, en
vitamina E y en yodo.
La empresa vendió en 1998 mas de 300 millones de
huevos.
INTRODUCCIÓN
La ingeniería de matrices
Es una parte de la Ingeniería de Alimentos que utiliza los conocimientos
sobre la composición, estructura y propiedades de la matriz estructural
de un alimento para producir y controlar cambios que mejoren alguna de
sus propiedades funcionales o sensoriales (Fito et al, JFE 2001)
Es el único procedimiento que permite utilizar la matriz sólida
estructural de los alimentos naturales de origen vegetal y animal para,
mediante las modificaciones adecuadas y las técnicas apropiadas, incluir
en ellas componentes activos, sin modificar sustancialmente las
características propias de dichos alimentos.
„
Formación de estructuras coloidales,
„
la extrusión,
„
la fritura,
„
el horneado,
„
La Impregnación a Vacío,
„
el hinchado, etc.
„
El recubrimiento con películas comestibles
„
Técnicas combinadas de deshidratación :
(deshidratación osmótica, secado a vacío,
aplicación de microondas, radiación infrarroja, etc),
13
27/01/2011
Parénquima de berenjena
(Cryo-SEM).
Micelio de champiñón
(Cryo-SEM).
14
27/01/2011
Seta de cardo
(Pleorotus
ostreatus).
INTRODUCCIÓN
UTILIZACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE INGENIERÍA DE
MATRICES EN LA OBTENCIÓN DE ALIMENTOS FUNCIONALES
Alimentos estructurados
TÉCNICAS DE INGENIERÍA DE
MATRICES
(Impregnación a Vacío, Deshidratación osmótica,
Recubrimiento con films...)
1º Técnicas
que permiten la
incorporación del elemento deseado.
Componentes funcionales:
-minerales, .
- probióticos
-- componentes liposolubles
2º Técnicas que generan productos
estructurados estables y les imparten
características deseables
Nuevos alimentos funcionales
15
27/01/2011
MODELO MATEMÁTICO DE LA OPERACIÓN Y ENSAYOS
PRELIMINARES
RESULTADOS
I. Modelo matemático
FRUTA U HORTALIZA QUE
SE DESEA ENRIQUECER
ELEMENTO MINERAL
QUE SE DESEA APORTAR
Referencias bibliográficas o resultados experimentales:
X: fracción volumétrica de muestra impregnada con
líquido
γ1 la deformación de la muestra durante la etapa de vacío
en un experimento de IV
γ: deformación volumétrica de la muestra
ρS (kg/m3): densidad de la fruta u hortaliza fresca
ECUACIÓN DE MODELO DEL HDM
ACTUANDO EN UN PROCESO DE IV
1
X = εe (1 − )
r
Modelo del HDM acoplado con fenómenos
de deformación-relajación:
Modelo rígido:
Información comercial:
Sal mineral;
solubilidad
Riqueza mineral
C: concentración del elemento
mineral en la disolución de
impregnación
CANTIDAD DE MINERAL
INCORPORADO (kg mineral/kg
producto enriquecido)
ρ ml
ρ pf
ρ
1 + X ml
ρ pf
x ml X
x pi =
εe (r − 1) = ( X − γ )r + γ 1
GRUPO DE POBLACIÓN AL QUE
SE VA A DIRIGIR EL PRODUCTO
Referencias bibliográficas:
CDR: Cantidad diaria recomendada del
elemento mineral seleccionado
CANTIDAD DE FRUTA U HORTALIZA QUE
APORTA EL PORCENTAJE DE LA CDR DESEADO
DEL ELEMENTO MINERAL SELECCIONADO
(g de fruta u hortaliza enriquecida)
m pi =
CDR
x pi
16
27/01/2011
RESULTADOS
I. Modelo matemático
Porosidad mínima requerida para desarrollar productos enriquecidos con
propiedades específicas
64,1
35,9
21
13,716,9
16,1
4,66%
setta de
calab
bacín
champ
piñón
zanah
horia
piel
4,3
njena
beren
melón
m
6
piel naranja
ciruela
piña
pera
kiwi
2,2 3,7 3,4 2
albarico
oque
9,1
0,7
meloc
cotón
ffresa
5,9 6,4
25
remola
acha
17
ma
ango
60
50
40
30
20
10
0
manzana
porosidad eficaz (% )
Frutas y hortalizas con posibilidades de ser enriquecidas
No es factible el enriquecimiento en calcio en las cantidades especificadas
utilizando las sales comerciales indicadas.
UTILIZAR PRODUCTOS COMERCIALES CON MAYOR SOLUBILIDAD
Tejido de berenjena
(Solanum melongena,
var. Soraya),
Fresca
Impregnada
X =15
e =52
γ =-37
17