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Ciencia y Tecnología para la
Innovación en Alimentos
José Miguel Aguilera
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
P. Universidad Católica de Chile
FoodInnova 2014, Concordia, Argentina, 21-23 de Octubre, 2014
JMA 2014
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Escenario mundial
Demografía:
• La población crecerá desde 7,2 mil millones actualmente, a 8,1 mil
millones en 2025. Por tanto, se necesitarán más alimentos.
• Hay 814 millones de personas con edades >60 años (2013). La
expectativa de vida aumentará de 69 años a 76 años en 2045.
• 52,1% de habitantes del planeta viven en áreas urbanas.
Alimentación:
• 850 millones reciben una alimentación insuficiente (desnutrición).
• ECNT: En 2008 más de 1,4 mil millones de adultos tenían
sobrepeso (300 millones eran clínicamente obesos) y 347 millones
sufren de diabetes (80% en países de ingreso bajo o medio).
• Aproximdamente un tercio de los alimentos se pierden o no se
aprovechan (FAO, 2011).
FAO. 2013. The State of Food and Agriculture. Roma.
FAO 2011. Global food losses, Roma
ONU. 2013Population Division, Department of Economic and Social Affairs.
JMA 2014
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1985-2013. PIB per cápita mundial
JMA 2014
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http://www.krusekronicle.com/kruse_kronicle/2008/12/200208-60-growth-in-world-percapita-real-gdp-.html
Evolución de la industria alimentaria
Valor
agregado
Alimentos
funcionales
“Cocina
molecular”
Leche
larga vida
Supermercado
(1950)
ENFASIS EN
PROCESOS
• Altos volúmenes
McDonalds
(1940)
• Bajo costo
• Preservación
Restorán
(1765)
Congelado
Nestlé comercialNescafé
(1868) (1920) (1938)
Margarina
(1860)
Conservería
(1810)
1800
• Calidad
• Salud y bienestar
1900
Años
ENFASIS EN
PRODUCTOS
• Inocuidad
2000
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El empoderamiento del consumidor
En el siglo XXI aparece el eje cerebro-célula
Alergias
Genómica
JMA 2014
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Algunas características de los alimentos
que los distinguen de otros productos de la vida diaria
• Nunca fueron diseñados (a diferencia de los productos de
consumo)
• Su ingesta continua en exceso o defecto ocasiona patologías
• Son percibidos de manera distinta por las personas (gusto) y
sus efectos son diferentes en distintos individuos (p. ej.,
alergias)
• Han sido consumidos en forma compartida y socialmente
(familiar), incorporando una carga cultural importante
• Deben romperse y degradarse durante la digestión
• Están sujetos a una regulación rigurosa
• Hoy: son omnipresentes, abundantes y baratos (ambiente
obesogénico)
JMA 2014
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Producción de alimentos
•
Genómica
– Variedades que requieran de menores inputs
(agua, fertilizantes, pesticidas, etc.)
– Mejores rendimientos o funcionalidad
– Variedades para cosecha mecanizada
•
Postcosecha
– Modelamiento del transporte de gases en frutas
– Bioquímica de postcosecha
•
Herremans et al, (2013)
Calidad: evaluación en linea por técnicas
no-invasivas ni destructivas
– Uso de imágenes hiperespectrales
•
Acceso a alimentos
– Aproximadamente 70% de las compras en
centros urbanos se hace en supermercados
Hoy día es clave la sustentabilidad
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Leiva, Aguilera & Lu (2013)
Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones (TICs)
•
•
•
•
•
•
•
•
Gestión de cadenas de suministro
Comercio por internet (conexión con mercados
globales)
Seguridad alimentaria (monitoreo remoto)
Distribución y trazabilidad de productos frescos y
congelados (sensores de radio frecuencia RFID)
Empacado inteligente (cocción y recalentamiento)
Visión digital para el control de calidad on line
Información a los consumidores (e.g., teléfonos
celulares)
Activación remota de aparatos en la cocina
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Nuevos procesos y nuevas estructuras
•
Tecnologías nuevas
–
–
•
No-térmicas: HPP, PEF, IR, MW, etc.
Otras: Homogenización HP, membranas
Procesos con mayor eficiencia energética
– Emulsificación por membranas vs mecánica
– Microfluídica
•
Courtesy R. Boom
Uso del agua
– Cocción húmeda vs cocción-extrusión
•
Estructuras fibrosas
Courtesy R. Boom
– Carne/pescado vs fibras de proteína vegetal
(electrospinning)
•
Tecnologías emergentes de estructuración
– HPP aplicado a almidones y geles
– Nanodispersiones
– Impresión 3-D, laminación
Ahorro en energía y uso de agua
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Nanotecnología alimentaria
•
Nano-estructuras para la encapsulación y liberación
de nutrientes y componentes funcionales.
•
Mejoras en la estabilidad, suministro y
biodisponibilidad de sustancias bioactivas.
•
Desarrollo de sabores, aromas y texturas.
•
Principales aplicaciones en packaging (etiquetas, trazabilidad)
•
Superficies inteligentes (p.ej., limpieza de equipos)
•
Agricultura: mayor eficiencia en la aplicación de agroquímicos.
•
Toolbox ayuda a entender fenómenos a escala nano en
alimentos y pensar en estrategias de diseño “de abajo hacia
arriba”.
La ciencia y bastante tecnología se encuentran disponible en otras áreas.
Problemas: aceptación por consumidores, riesgos versus beneficios, regulación.
Aguilera, J.M. 2014. Where is the nano in our foods. J. Agric. Food Chem
JMA (2009)
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Biotecnología alimentaria
La “nueva” biotecnología alimentaria nace en los 1970s y sus
aplicaciones directas en procesamiento de alimentos han sido menores
que las esperadas inicialmente. Un aporte importante ha
sido en herramientas analíticas (toolbox).
• Maíz y soya (HT y Bt) – sobre 90% en EE.UU.
• Resistencia al estrés abiótico
• Resistencia a virus (papas)
• Nutrición: arroz dorado (vitamina A)
• Plantas para la fitorremediación
En desarrollo:
• Cultivo de tejidos de plantas para producir colorantes,
sabores y sustancias bioactivas.
• Biosensores para inocuidad y marcadores genéticos (trazabilidad)
JMA 2014
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Alternativas para rediseñar alimentos
•
Ej: Indulgencia sin culpa (Placer/Salud)
Menor densidad calórica por porción
– Microgotas de agua, microgeles y microburbujas de aire
– Edulcorantes naturales para dulzor (Stevia)
– Agentes que den cuerpo al reemplazar azucar (p. ej.,
gomas, fibra)
– Almidón resistente (bajo IG)
•
Nuevos ingredientes
– Sustitutos de grasa (almidón resistente, proteína
microparticulada) y lípidos rediseñados.
– Sustitutos del gluten de trigo
– Adición de ácidos grasos omega-3 (huevos)
– Adición de fibra (¡a casi todo!)
– Proteínas refinadas (aislados de suero y fracciones)
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La ciencia que fascina a los chefs
Asociación de chefs (innovadores y creíbles) con
científicos, aparición de laboratorios junto a las cocinas.
Ingredientes estructurantes
• Lecitina, gelficantes (alginatos, carrageninas, etc.),
transglutaminasa (y otras enzimas)
Procesos
• Esferificación (caviares artificiales), espumas 3-D, etc.
• Congelación con nitrógeno líquido
• Cocción lenta a bajas temperaturas (sous-vide)
Tendencias
• Encadenamiento en suministro de materias primas con
productores cercanos y conocidos, productos endémicos
• “Gourmetización” de comida rápida (gourmet trucks)
• Cocina nota-a-nota (Hervé This)
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Avances en ciencias
•
Ciencia de los materiales alimentarios
– Avances en ciencia de polímeros alimentarios (p.ej., estado vítreo)
– Aplicaciones de la física de la materia suave (soft matter)
– Relaciones microestructura – propiedad en alimentos
•
•
Genómica, proteómica y bioinformática
Neurobiología
– Comportamiento de los receptores olfativos y gustativos
– Mapas cerebrales , adicción, etc.
– Señales metabólicas en el control de la ingesta
•
Fisiología
– Rol de la biota intestinal
•
Ciencias sociales
– Individualismo , autonomía, “practicabilidad” (uso del tiempo). C. Fischler.
•
Instrumentación avanzada
– Perfilamiento molecular: (GC-MS, GC-MS/MS, LC-MS, LC-MS/MS, etc)
– Métodos de ensayos avanzados en calorimetría, microscopía, ensayos mecánicos, etc.)
JMA 2014
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Neurogastronomía
bulbo
olfativo
nervio
olfativo
célula
olfativa
Olor
receptores
olfativos
Poro
Célula
Sinapsis
JMA 2014
Sabor
Fibra
nerviosa
Conexión cerebro-sistema digestivo
Hambre
Tejido
adiposo
Insulinal
hormonas
Comida
Tiempo
Saciedad
Saciación
Páncreas
JMA 2014
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Nutrición del siglo XXI
La nutrición del Siglo XX solucionó grandes
problemas de carencia de nutrientes y micronutrientes
(desnutrición infantil, vitaminas, minerales). Los
desafíos del siglo XXI son distintos y más complejos:
• Fin del nutricionismo: enfoque que existen alimentos
buenos y malos, y el excesivo énfasis en los nutrientes y
no en los alimentos (problema de hábitos alimentarios) y
el placer de comerlos.
• Sobrepeso y la obesidad: se trata de abundancia de
alimentos y sedentarismo.
• Alimentos y nutrición en la vejez: Estructuras suaves
y sabrosas para la disfagia y mejor absorción de
nutrientes.
• Mitos y mala o (des)información al consumidor
Jacobs, D.R., Tapsell, L.C. 2007. Food, not nutrients, is the fundamental unit in nutrition. Nutr. Rev.:439-50.
JMA 2014
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Concepto de matriz alimentaria
ALIMENTOS
(COMIDAS)
NUTRICION
PLACER
Matriz multifases y multicomponentes
Cantidad de agua, aire y fibra
en las porciones
DENSIDAD CALÓRICA
Rompimiento o flujo de la matriz
que genera sensaciones táctiles
TEXTURA
Composición (proteinas),
viscosidad (hidrocoloides)
SACIEDAD
Ondas acústicas que se generan
cuando se fracturan los alimentos
y son captadas por el oído
SONIDO
Liberación de nutrientes e
interacciones
BIOACCESIBILIDAD
Moléculas liberadas que interaccionan
con receptores en la lengua, paladar y nariz
GUSTO (AROMA Y SABOR)
Conversión enzimática de almidón
en azúcar
EFECTO GLICÉMICO
Encapsulatción de probióticos que
llegan a la flora intestinal
SALUD DIGESTIVA
JMA 2014
Algunas estructuras intermedias en la
digestión
PROTEINAS
Nativo
Interacciones
con
fosfolípidos
Agregados
Polipéptidos
Denaturado
(cocción)
Adsorción
interfacial
Proteólisis
interfacial
Péptidos
Péptidos
GRASAS
Puras (aceite)
Emulsificado Adsorción
interfacial
Emulsiones
(mayonesa)
Rompimiento
Coalescencia
Monoglicéridos
Hidrólisis Lipólisis A. grasos
interfacial
Micelas
transportadoras
ALMIDÓN
Recristalizado
(pan añejo)
Gelatinizado
(pan fresco)
Comida
Boca
Amilosa/
amilopectina
Estómago
Lentamente
digerido
Rápidamente digerido
Intestino delgado
Almidón resistente
Glucosa
Intestino grueso
Nutrientes a nivel celular
Los nutrientes para ser efectivos deben ser
liberados de la matriz alimentaria (bioaccesibilidad),
absorbidos (biodisponibilidad) e incorporados en
nuestras células en sus formas activas.
•
Nutrición personalizada. Dietas
diseñadas de acuerdo a cada genotipo
(nutrigenética).
•
Epigenética. Factores no genéticos
que intervienen en la expresión génica,
sin cambios en la secuencia de
nucleótidos.
“Pareciera que los nutrientes y componentes
bioactivos de los alimentos pueden influir en
fenómenos epigenéticos (expresión de genes)
con consecuencias fisiológicas y patológicas.”
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Choi, S-W & Friso, S. (2010) Adv. Nutr. 1;8-16.
http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/nutrition/
Conclusiones
•
•
•
•
•
El gran protagonista de la alimentación del Siglo XXI será el consumidor.
Por tanto, las cadenas alimentarias se extenderán a la boca y el cerebro
(placer y bienestar), el sistema digestivo, llegando hasta las células
(nutrición y salud).
En alimentación, el énfasis cambia desde nutrientes específicos a las
comidas y los alimentos propiamente tales. Nace el concepto de matriz
del alimento y aparece la biodisponibilidad como indicador de eficiencia
nutricional.
Nunca como antes el conocimiento científico necesario para entender la
alimentación humana abarcará un espectro tan amplio de disciplinas,
desde las ciencias sociales hasta la neurobiología.
El valor agregado aportado por nuevas tecnologías y procesos deberá
superar una ya abundante oferta de alimentos, proporcionando mayor
conveniencia, salud y bienestar, y placer.
JMA 2014
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Muchas gracias…
JMA 2014
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¿Por qué es importante la microestructura
de alimentos?
Durante el Siglo XX se lograron grandes avances en química de los alimentos
(bromatología) y en el rol de los componentes en la salud (nutrición). A finales de
ese siglo se entendió que comemos alimentos que tienen microestructura y que
ésta explica muchas de sus propiedades. Características de la microestructura:
• contribuye a la identidad de los alimentos (por ejemplo, a través de la textura,
viscosidad, apariencia, color, etc.);
• es la matriz portadora de nutrientes y además de sabores y sensaciones. Por lo
tanto, contribuye al placer de comer (gastronomía);
• influye en la transferencia de calor, masa y momento durante el procesamiento
de los alimentos y en la cocina;
• tiene un efecto sobre la cinética de los cambios bioquímicos, químicos y
microbiológicos (p. ej., el ajo, ají);
• toma la forma de tejidos celulares o se forma por interacciones entre muchos
componentes a varias escalas de tiempo y longitud, sin alcanzar el equilibrio;
• modula la liberación de nutrientes y biodisponibilidad luego de la digestión.
JMA 2014
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Evolución y alimentación
Gastronator
Homo erectus
1,8 millones – 300.000 años
+ de 12.000 generaciones
Homo
gastronomicus
Homo sapiens
10.000 - 14.000 años
400-560 generaciones
Agricultor
Cazador - recolector
JMA 2014
50 años
2 generaciones
Hombre
moderno
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A la hora de alimentarnos, somos todos distintos
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Sports Illustrated 2002
Gelatinización de almidón y efecto
glicémico
JMA 2014
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Algunas características de los alimentos
que los distinguen de otros productos de la vida diaria
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
No podemos vivir sin ellos
Sus componentes pasan a ser parte de nuestros cuerpos.
Nunca fueron diseñados (a diferencia de los productos de consumo)
Su ingesta continua en exceso o defecto ocasiona patologías
Son percibidos de manera distinta por las personas (gusto)
Sus efectos son diferentes en distintos individuos (p. ej., alergias)
Han sido consumidos en forma compartida y socialmente (familiar),
incorporando una carga cultural importante
Como materiales, deben romperse y degradarse durante la digestión
Están sujetos a una regulación rigurosa
Hoy: son omnipresentes, abundantes y baratos (ambiente
obesogénico)
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