POST-GRADO EN INGENIERIA AGROINDUSTRIAL AVANCES EN PROCESOS NO TERMICOS DE ALIMENTOS ALTAS PRESIONES HIDROSTATICAS (APH) JUAN J. FERNANDEZ, PH.D.PROFESOR TITULAR SAN CARLOS, MAYO, 2003 INTRODUCCIÓN qHite et al.(1914); Reportó el efecto de las presiones hidrostáticas (APH) sobre microorganismos en alimentos qProcesamiento de leche at 650 Mpa (94274,7 psi) inactivo las células viables de microorganismos presentes. 1 MPA =145.038 psi. qDebido a la demanda creciente de los consumidores por alimentos frescos, el uso de AHP en la industria de alimentos e instituciones de investigación se ha explorado por más de 15 años. altas los q Recientemente, AHP ha sido utilizada ampliamente en Japon en el procesamiento de jamones, jaleas, jugos de frutas, yogurt. q Mercado Japones: 10-15 productos alimenticios presurizados, muchos de ellos han desaparecido, y los que prevalecen son tan especificos que los mercados Americano y Europeo tiene poco intéres en ellos. q El interés en APH deriva en la habilidad de ésta de producir alimentos frescos sin la adición de aditivos químicos. q Ejemplo de productos comerciales en USA y Europa son: (1) Jugo de naranja, (2) pure de aguacate, (3) jamon en rebanadas (cocido-curado y cocido natural) MECANISMO DE ALTAS PRESIONES HIDROSTÁTICAS APH: actua uniformemente en toda la masa de alimento independientemente de: tamaño, forma y composición del alimento. Principio de Le Chatelier: Cualquier cambio en una de las variables que determinan el estado de un sistema en el equilibrio causa un desplazamiento de la posición del equilibrio en una dirección que tiende a oponerse al cambio en la variable en consideración." [1888 - HenriLouis Le Chatelier (1850 - 1936), un ingeniero francés] de manera de oponerse al cambio en la presión. En una reacción química: A + B = C + D + calor el aumento de temperatura va a correr al equilibrio químico hacia la izquierda. El calor se absorbe lo cual se opone al aumento de temperatura. Similarmente un cambio en la presión (en isotermia) resulta en un desplazamiento del equilibrio en las reacciones químicas gaseosa no-isomolares. .Principio de Le Chatelier: Un sistema en el equilibrio responde a cualquier tensión o estímulo perturbantes restableciendo el equilibrio. las APH afecta cualquier fenómeno en un sistema que involucre un cambio de volumen y favorece aquellos fenomenos que experimenten una disminución del volumen. q APH afecta los enlaces no covalentes (hidrogeno. e hidrofobicidad) que son muy sensibles a las altas presiones. q Los componentes del alimento de bajo peso molecular responsables de las características nutricionales y sensoriales del alimento no son afectados por APH. .q Por tanto. ionico. Sin embargo. La transmisión de presión no es instantánea cuando hay presencia de gases. Otros principios que gobiernan a las APH son: Principio Isoestático: implica que la transmisión de la presión en el alimento es uniforme e instantanea (independiente del tamaño y geometría del alimento). .q Los componentes del alimento de elevado peso molecular cuya estructura es importante para determinar la funcionaliadad son sensibles a las APH. la pequeña energía necesaria para comprimer un sólido o un líquido en a 500 Mpa en comparación con el calentamiento a 100C. un aumento de la presión aumenta el grado de ordenamiento de las moleculas de una sustancia. Debido a que la compresibilidad es pequeña. q Otro aspecto interesante es. Ventajas DEL Proceso de APH en comparación con el proceso térmico convencional Las APH ofrecen las siguientes ventajas: .Pricipio de ordenamiento microscopico: implica q que a temperatura constante. Alteraciones de funcionalidad de componentes del alimento son minimizados los .. frescura y color del alimento d.No hay perdidas de vit..Retención de flavor. C e.Reduce los tiempos de proceso b.Minima penetración de calor/problemas de daños por calor c...Multiplos cambios de fase en las formas de hielo resulta en cambios de presión de congelamiento d..Ventajas a. Aplicaciones de APH Características sensoriales y nutricionales. Renteción. lixiviación de potasio y perdida de potasio en cubos de papa. actividad funcional de la enzima polifenoloxidasa (PPO). Eshtaghi y Knorr (1993): APH no alteraban el valor nutricional y sensorial de los alimentos. y mantenian la vida útil de estos. . Vida útil. calidad (ablandamiento). Estos autores compararon el efecto de APH y el escaldeado con agua sobre la seguridad microbiológica. y Valor Agregado. y además se mejoró la retención de acido ascorbico (90% a 5C y 35% a 50C) en muestras emaquetadas al vacio y tratadas con APH q No se investigó a diferentes rangos de presión lo cual pudiera resultar en diferentes características funcionales de los cubos de papas.q La inactivación total de microorganismos y la actividad de la PPO ocurrio a 20C (utilizando una solución de acido citrico 0.5 o 1. pero se redujo la lixiviación del potasio en un 20%. .0% con medio de inmersión) q Los cubos de papas tratados con APH y escaldeados en agua mostraron ablandamiento. seguido de enfriamiento y empacado al vacio. y la viscosidad disminuyó con el incremento de la temperatura del escaldeado y se incrementaba con incremento de la presión.(1997): Estudiaron el efecto de APH en tomates cortados. . q Estos autores también encontraron que las APH jercian un efecto significativo en la inactivación de enzimas pécticas como la polygalacturonasa. Luego fueron sometidos a tratamiento con APH. contenido de azúcar. encontando que: q El color. y pH fueron afectados por la presión. los tomates fueron pre-tratados a 25. y ejercía poco efecto sobre las pectinas esterasas (PE). 50.Revere el al. 0 85C. sacarosa. resultando en: q Las jaleas tratadas con APH presentaron mejor calidad de frescura que las jaleas tratadas con calor inmediatamente despues del tratamiento.(1994): compararon la calidad (componentes de flavor volátiles. índice de oscurecimiento. pero las jaleas tratadas con APH no mantuvieron su caliadad almacenadas a temperatura ambiente debido a la presencia de oxigeno y actividad enzimatica. q La calidad se mantuvo en ambos tratamientos almacenadas a baja temperatura. furfural. almacenadas a 5 y 25C por 1-3 meses. . C) en jaleas tratadas con APH y calor.Kamura et al. contenido de vit. . estudiaron la estabilidad microbiológica de mostos de vinos blacos y rojos tratados con APH. posiblemente debido a la alta concentración de sólidos en suspensión. q La estabilización microbiólogica en vinos blancos ocurrió a 507 Mpa por 3 min. Mientras que la inactivación completa del vino rojo no ocurrio ni a 811 Mpa por 5 min. q Estos autores. encontrando que la tasa de inactivación era proporcional a la presión utilizada. además.q Las jaleas tratadas a APH y almacenadas a temperaturas de refrigeración presentaron perdidads minímas en sus características nutricionales y sensoriales por un período de hasta 3 meses. Gow y Hsin (1996): Compararon la calidad y vida útil de puré de guayaba tratado co APH y pasteurizado térmicamente (88-90C por 24 s) encontrando: q Una inactivación sustancialmente elevada microorganismos (< 10 ufc/mL) a 600 Mpa. de q Las muestras tratadas con APH no mostraron cambios en el color. las muestras presentaron el mismo contenido de ácido ascorbico que la muestra fresca. ni degradación de la pectina. . ni formación de turbidez. q La inactivación enzimática fue más pronunciada en las muestras tratadas térmicamente. q El puré de guayaba tratado con APH (600 Mpa) mantuvo una buena calidad (similar a la pulpa de guayaba fresca extraida) por 40 días cuando se almaceó a 4C. . las cuales son inhibidas durante el tratamiento con APH. q Es importante señalar que el puré de guayaba es muy sensible a las reacciones de oscurecimiento. q Estudios de vida útil han demostrado la estabilidad microbiológica de jugos de frutas tratados con APH y refrigerados hasta 6 meses de duración. reportaron: q Cuando se utilizó HPT para aumentar la temperatura de la leche a 80C (por encima de la temperatura miníma de pasteurización) seguido de un rápido enfriamiento a 40C.(1996): investigaron el uso de APH con valvula de extrangulamiento (HPT) como alternativa al proceso térmico convencional de la leche antes de la acificación del yogurt. espesor y cremosidad del yogurt (eliminando la adición posterior de polisacaridos) . rendimiento. resultó en una reducción del número de microorganismos y aumento de la viscosidad.Noormans et al. Los paramétros estudiadoe fueron: valor de anisidina. Resultado: q Las APH cambiaron el valor de la anisidina. y edad de los aceites. y hidrocarburos vólátiles. composición. (1997): investigaron el efecto de las APH sobre la oxidación de lípidos en aceites de oliva extra virgen y aceites de semillas. q Se determinó que el aceite de oliva tratado con APH resultó ser más resistente a la oxidación que los otros aceites estudiados. pero no afectaron otros (valores de rancidez y hidrocarburos volátiles). .Severini et al. prueba de racimat. Otros paramétros que afectan el tratamiento de APH son: origen. calidad inicial. .40 PSI) q Temperatura de proceso: 0C a > 100C q Tiempo de exposición: ms a + 20 min q Cambios químicos en el alimento son función: temperatura de proceso.80 PSI a 116030. UHP) q Rango de presión de Trabajo: 100 a 800 MPa (145038. tiempo de tratamiento y presión de tratamiento. HHP) PRESIONES ULTRA ALTAS (PUA.PROCESAMIENTO CON ALTAS PRESIONES q ALTAS PRESIONES HIDROSTATICA (APH. 94-0.98-1.o. q pH: La compresión del alimento puede cambiar el pH de éste en función de la presión impuesta y debe determinarse para cada tratamiento.0 a 0. (Aw: 0. (< 0.96) .2 unidades) q Aw y pH: factores críticos del proceso de APH en la inactivación de m.q La compresión del alimento: aumenta uniformente la temperatura en aproximadamente 3C por cada 100 MPa. ligeramente por encimad de la temperatura ambiente o por debajo de ésta. botulinum).q Inactivacion de m. patogénos y deteriorantes de los alimentos.: se logra a temperaturas. q Temperature en el rango: 45-50C aumenta la ta sa de inactivación de m. q Rangos de temperatura de 90-110C combinado con AHP de 500-700 MPa inactiva las bacteria esporuladas (C. .o.o. Tiempo inicial de presion C. Actividad de agua del alimento . Temperatura inicial del alimento F. Tiempo para alcanzar una presión determinada D.FACTORES CRíTICOS DEL PROCESO A. Presión B. Tiempo de descompresión E. Componentes b. PH y Aw del producto J. Material de empaque EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO CON APH a.G. Continuo . Distribución de la temperatura y presión en el contenedor H. Batch c. Composición del producto J. 3. 4. obtener la preisón adecuada. horizontal. remoción del producto. Similar al proceso de retorteado 2.Characterísticas del Proceso por Batch 1. Presión: + 400 MPa. Material de construcció: dos concentricos hechos de acero resistencia al tensor. descompresión. cilindros de alta . Operación: inclinado. Forma vertical. Ciclo: llenado. 5. Equipo para tratamiento APH por Batches . Componentes del sistema de APH por Batch 1.1-1L LAB. Bomba de baja presión 5. Sostenedor de las cerraduras 4. Capacidad: 0. Intensificador de presión: utiliza liquido de la bomba de baja presión para generar el fluido de alta presión del sistema 6. Sistema de control e instrumentación 7. Cerraduras terminales 3. 10-25 L Industrial . Contenedor de presión con diseñó cilindrico 2. Operacion por Batch: q El alimeno empacado es cargado en el contenedor de presión q Se sella el contedor q El agua de proceso es bombeada en el contedor para desplazar el aire q Cuando el contenedor se llena. y el agua se bombea al contenedor hasta alcanzar la presión de trabajo. q La tasa de compresión es directamente proporcional a la potencia de la bomba de baja presión que mueve el intensificador . la valvula de alivio se cierra. . q La compresión está en función de los hp de la bomaba q Trabajo debe ser suministrado para para comprimir el agua a una presión por encima de 200 MPa. q Tiempos de retención menores de 5 min son los más deseables. q Los tiempos de retención del producto son menores de 10 min en constraste con los procesos térmicos que requieren de 60 min para completar un ciclo.q Una potencia de 100 hp puede conducir a un contenedor de 50 L a presión de operación de 680 Mpa en un tiempo de 3-4 min. el puerto interno se cierra y se introduce agua a alta presión detras del piston para comprimir el alimento líquido. . q Una presión de 680 MPA resultará con una compresión de 15% del líquido tratado.Equipos de APH Semicontinuos q Utlizan contenedores de presión conteniendo un pistón libre para comprimir los alimentos líquidos. el sistema es descomprimido descargando la presión del agua de alta presión. el piston es desplazado. q Utilizan bombas de baja presión para el llenado del contenedor o cilindro. q Al llenarse el contenedor. q Despues de un tiempo de retención. q Una vez lleno el cilindro. q El líquido tratado es descargado del contenedor de presión a un tanque estéril a través de un puerto esterilizado.Proceso semicontinuo. q Una bomaba de baja presión es utilizada para mover el piston libre hacia el puerto de descarga. . q El líquido tratado puede ser llenado asepticamente en un contenedor pre-esterilizado. . No existen todavia en el mercado equipos continuos APH de proceso. Un proceso continuo características: debe tener las siguientes q Debe comprimir el alimento líquido q Debe poseer un tubo o contenedor de retención para alcanzar untiempo específico de proceso q Debe existir alguna forma de descomprimir el liquido en tal sentido que cause un trabajo para evitar calor excesivo un cizallamiento q El líquido descomprimido debe ser enviado a un tanque de retención estéril para un eventual llenado aseptico.Equipo APH continuo de proceso. .Proceso continuo q Homogenizadores operando a presiones por encima de 100 Mpa han sido propuesto para inactivación microbiológica. q Se debe demostrar la eficacia de este equipo con datoe experimentales en función de la presión de operación. q Los efectos del calor during la descompresión deben ser separados de la contribución hecha por la presión. sinosoidal. u otra forma). q Monitoreo de los valores de la presión alta o baja del pulso. qSe debe considerar lo siguiente: frecuencia del pulso. programando una serie de tratamientos por ciclos de corta duración antes de descargar el el alimento tratado. sin presión.Sistemas de procesamiento de APH por pulsos q Sistemas semi-continuos y batches pueden ser adptados a operaciones por pulsos. q Forma del pulso (rampa. cuadrada. . proporción de intervalo de tiempo a uan presión. 22 s a presioón desactivada Inactivación: 4 log ufc/mL Presión estática: 5-15 min para lograr el mismo resultado. .Pulsos de presión qLos pulsos de presión son más efectivos para inactivar los microorganismos en alimentos que los tratamientos estáticos: Ejemplo.66 s presion activada y 0. Scaromyces cerevisiae: Pulsos de presión: tiempo de exposición 100 s Repetición del pulso: 0. la división celular disminuye al incrementar la presión del medio. q La morfología celular es alterada por la presión. aspectos bioquímicos y efectos gnéticos en las celulas microbianas. Mecanismos de Inactivación q Las altas presiones inducen cambios celulares. q Cultivos de células viejas son más resistentes a la inactivación por cualquier método de proceso. .q Las celulas bacterianas en fase exponencial son más suceptibles a las APH que en la fase estacionaria de crecimiento. q La presión induce mal funcionamiento de la membrana. . intracelular despues del q Derrame de estos componentes de la celula es indicativo del daño causado a la membrana. q Para los microorgsnismos el primer sitio de Daño causado por APH es la membrana celular. q Perdida de material tratamiento con APH. causando inhibición de aminoacidos debido a la desnaturalización de proteínas.q Presiones hidroestáticas de 100 a 300 Mpa inducen germinación de las esporas y las resultantes células vegetativas son más sensibles a los tratamientos con APH. q Permeabilza la membrana celular q No rompe los enlaces covalentes: retiene el flavor y color del alimento . q Aquellos compuestos que coayudan a la fluidez de la membrana. q Bacterias con un alto contenido de fosfatidilglicerol (causa rigidez de la membrana en presencia de calcio) son más sensibles a la inactivación con APH.q Las perdidas elevadas de constituyentes celulares están asociadas con un alto número de células muertas. tienden a impartir resistencia del organismo a las APH. . Batch System . Sistema de producción de pre-empacado “batch” . Continuous System . Sistema continuo de proceso con aislantes . Continuous System . Cortado de Alimentos: Inyectores de agua controlados por robotica . Canales de aves cortadas con inyectores APH . Ostras Frescas Procesadas con AHP . Frutas con Jugo . . Comida servida procesada con APH . Jamón: 80000 psi . Gelatina . Vaso de styrofoam: 80000 psi . Necesidades de Investigación 1. . Investigar la influencia de APH en la reducción de poblaciones microbianas usando diseños estadísticos apropiados. Comprobar la no linealidad de las curvas semilogarítmicas en la inactivación microbiológica mediante modelación matemática. 2. http://www. Science_hpp_review.com/ 3.gov/~comm/ifttoc.cfsan.htm .html 2.fda. http://vm.Referencias 1.freshnerunderpressure.