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 altas presiones hidrostáticas (APH) sobre los 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.

q Recientemente, AHP ha sido utilizada ampliamenteen Japon en el procesamiento de jamones, jaleas, jugos de frutas, yogurt.

q Mercado Japones: 10-15 productos alimenticios presurizados, muchos de ellos han desaparecido, ylos 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 delas variables que determinan el estado de un sistema en el equilibrio causa un desplazamiento de la posición delequilibrio en una dirección que tiende a oponerse alcambio en la variable en consideración." [1888 - Henri-Louis Le Chatelier (1850 - 1936), un ingeniero francés]

Un sistema en el equilibrio responde a cualquier tensión o estímulo perturbantes restableciendo elequilibrio.

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 seopone al aumento de temperatura. Similarmente uncambio en la presión (en isotermia) resulta en undesplazamiento del equilibrio en las reacciones químicas gaseosa no-isomolares, de manera de oponerse alcambio en la presión.

Principio de Le Chatelier:

q Por tanto, 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, ionico, 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 Los componentes del alimento de elevado peso molecular cuya estructura es importante para determinar la funcionaliadad son sensibles a las APH.

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). Sin embargo, La transmisión de presión no es instantánea cuando hay presencia de gases.

Pricipio de ordenamiento microscopico: implica

q que a temperatura constante, un aumento de la presión aumenta el grado de ordenamiento de las moleculas de una sustancia.

q Otro aspecto interesante es, la pequeña energía necesaria para comprimer un sólido o un líquido en a 500 Mpa en comparación con el calentamiento a 100C. Debido a que la compresibilidad es pequeña.

Ventajas DEL Proceso de APH en comparación con el proceso térmico convencional

Las APH ofrecen las siguientes ventajas:

a.- Reduce los tiempos de proceso

b.- Minima penetración de calor/problemas de daños por calor

c.- Retención de flavor, frescura y color del alimento

d.- No hay perdidas de vit. C

e.- Multiplos cambios de fase en las formas de hielo

resulta en cambios de presión de congelamiento

d.- Alteraciones de funcionalidad de los componentes del alimento son minimizados

Ventajas

Aplicaciones de APH

Características sensoriales y nutricionales, Renteción, Vida útil, y Valor Agregado.

Eshtaghi y Knorr (1993): APH no alteraban el valor nutricional y sensorial de los alimentos, y mantenian la vida útil de estos.

Estos autores compararon el efecto de APH y el escaldeado con agua sobre la seguridad microbiológica, calidad (ablandamiento), actividad funcional de la enzima polifenoloxidasa (PPO), lixiviación de potasio y perdida de potasio en cubos de papa.

q La inactivación total de microorganismos y la actividad de la PPO ocurrio a 20C (utilizando una solución de acido citrico 0.5 o 1.0% con medio de inmersión)

q Los cubos de papas tratados con APH y escaldeados en agua mostraron ablandamiento, pero se redujo la lixiviación del potasio en un 20%, y además se mejoró la retención de acido ascorbico (90% a 5C y 35% a 50C) en muestras emaquetadasal 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.

Revere el al.(1997): Estudiaron el efecto de APH en tomates cortados, los tomates fueron pre-tratados a 25, 50, 0 85C, seguido de enfriamiento y empacado al vacio. Luego fueron sometidos a tratamiento con APH, encontando que:

q El color, contenido de azúcar, y pH fueron afectados por la presión, y la viscosidad disminuyó con el incremento de la temperatura del escaldeado y se incrementaba con incremento de la presión.

q Estos autores también encontraron que las APH jercian un efecto significativo en la inactivación de enzimas pécticas como la polygalacturonasa, yejercía poco efecto sobre las pectinas esterasas (PE).

Kamura et al.(1994): compararon la calidad (componentes de flavor volátiles, índice de oscurecimiento, furfural, sacarosa, contenido de vit. C) en jaleas tratadas con APH y calor, almacenadas a 5 y 25C por 1-3 meses, resultando en:

q Las jaleas tratadas con APH presentaron mejor calidad de frescura que las jaleas tratadas con calor inmediatamente despues del tratamiento.

q La calidad se mantuvo en ambos tratamientos almacenadas a baja temperatura, pero las jaleastratadas con APH no mantuvieron su caliadadalmacenadas a temperatura ambiente debido a la presencia de oxigeno y actividad enzimatica.

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.

q Estos autores, además, estudiaron la estabilidad microbiológica de mostos de vinos blacos y rojos tratados con APH, encontrando que la tasa de inactivación era proporcional a la presión utilizada.

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, posiblemente debido a la alta concentración de sólidos en suspensión.

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 de microorganismos (< 10 ufc/mL) a 600 Mpa.

q Las muestras tratadas con APH no mostraron cambios en el color, ni degradación de la pectina, ni formación de turbidez, las muestras presentaron el mismo contenido de ácido ascorbico que la muestra fresca.

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 deguayaba fresca extraida) por 40 días cuando se almaceó a 4C.

q Es importante señalar que el puré de guayaba es muy sensible a las reacciones de oscurecimiento, las cuales son inhibidas durante el tratamiento con APH.

q Estudios de vida útil han demostrado la estabilidad microbiológica de jugos de frutas tratados con APH y refrigerados hasta 6 meses de duración.

Noormans et al.(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, 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, resultó en una reducción del número de microorganismos y aumento de la viscosidad, rendimiento, espesor y cremosidad del yogurt (eliminando la adición posterior de polisacaridos)

Severini et al. (1997): investigaron el efecto de las APH sobre la oxidación de lípidos en aceites de oliva extra virgen y aceites de semillas. Los paramétros estudiadoe fueron: valor de anisidina, prueba de racimat, y hidrocarburos vólátiles. Resultado:

q Las APH cambiaron el valor de la anisidina, pero no afectaron otros (valores de rancidez y hidrocarburos volátiles). Otros paramétros que afectan el tratamientode APH son: origen, composición, calidad inicial, y edadde los aceites.

q Se determinó que el aceite de oliva tratado con APH resultó ser más resistente a la oxidación que los otros aceites estudiados.

PROCESAMIENTO CON ALTAS PRESIONES

q ALTAS PRESIONES HIDROSTATICA (APH, HHP)

PRESIONES ULTRA ALTAS (PUA, UHP)

q Rango de presión de Trabajo: 100 a 800 MPa(145038,80 PSI a 116030,40 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, tiempo de tratamiento y presión de tratamiento.

q La compresión del alimento: aumenta uniformente la temperatura enaproximadamente 3C por cada 100 MPa.

q pH: La compresión del alimento puede cambiar el pH de éste en función de la presión impuesta y debe determinarse para cada tratamiento. (< 0.2 unidades)

q Aw y pH: factores críticos del proceso de APH en la inactivación de m.o. (Aw: 0.98-1.0 a 0.94-0.96)

q Inactivacion de m.o.: se logra a temperaturas, ligeramente por encimad de la temperatura ambiente o por debajo de ésta.

q Temperature en el rango: 45-50C aumenta la tasa de inactivación de m.o. patogénos y deteriorantes de los alimentos.

q Rangos de temperatura de 90-110C combinadocon AHP de 500-700 MPa inactiva las bacteriaesporuladas (C. botulinum).

FACTORES CRíTICOS DEL PROCESO

A. Presión

B. Tiempo inicial de presion

C. Tiempo para alcanzar una presión determinada

D. Tiempo de descompresión

E. Temperatura inicial del alimento

F. Actividad de agua del alimento

G. Distribución de la temperatura y presión en el contenedor

H. PH y Aw del producto

J. Composición del producto

J. Material de empaque

EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO CON APH

a. Componentes

b. Batch

c. Continuo

Characterísticas del Proceso por Batch

1. Similar al proceso de retorteado

2. Ciclo: llenado, obtener la preisón adecuada, descompresión, remoción del producto.

3. Operación: Forma vertical, horizontal, inclinado.

4. Presión: + 400 MPa.

5. Material de construcció: dos cilindros concentricos hechos de acero de alta resistencia al tensor.

Equipo para tratamiento APH por Batches

Componentes del sistema de APH por Batch

1. Contenedor de presión con diseñó cilindrico

2. Cerraduras terminales

3. Sostenedor de las cerraduras

4. Bomba de baja presión

5. 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. Capacidad: 0.1-1L LAB, 10-25 L Industrial

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, la valvula de alivio se cierra, 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

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.

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 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 Tiempos de retención menores de 5 min son los más deseables.

Equipos de APH Semicontinuos

q Utlizan contenedores de presión conteniendo un pistón libre para comprimir los alimentos líquidos.

q Utilizan bombas de baja presión para el llenado del contenedor o cilindro.

q Al llenarse el contenedor, el piston es desplazado.

q Una vez lleno el cilindro, 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.

q Despues de un tiempo de retención, el sistema es descomprimido descargando la presión del agua de alta presión.

Proceso semicontinuo.

q El líquido tratado es descargado del contenedor de presión a un tanque estéril a través de un puerto esterilizado.

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.

Equipo APH continuo de proceso.

No existen todavia en el mercado equipos continuos APH de proceso.

Un proceso continuo debe tener las siguientes características:

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.

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.

Proceso continuo

Sistemas de procesamiento de APH por pulsos

q Sistemas semi-continuos y batches pueden ser adptados a operaciones por pulsos, programando una serie de tratamientos por ciclos de corta duración antes de descargar el el alimento tratado.

qSe debe considerar lo siguiente: frecuencia del pulso, proporción de intervalo de tiempo a uan presión, sin presión.

q Forma del pulso (rampa, cuadrada, sinosoidal, u otra forma).

q Monitoreo de los valores de la presión alta o baja del pulso.

qLos pulsos de presión son más efectivos para inactivar los microorganismos en alimentos que los tratamientos estáticos:

Ejemplo. Scaromyces cerevisiae:

Pulsos de presión: tiempo de exposición 100 s

Repetición del pulso: 0.66 s presion activada

y 0.22 s a presioón desactivada

Inactivación: 4 log ufc/mL

Presión estática: 5-15 min para lograr el mismo resultado.

Pulsos de presión

q Las celulas bacterianas en fase exponencial son más suceptibles a las APH que en la fase estacionaria de crecimiento.

q Cultivos de células viejas son más resistentes a la inactivación por cualquier método de proceso.

Mecanismos de Inactivación

q Las altas presiones inducen cambios celulares, aspectos bioquímicos y efectos gnéticos en las celulas microbianas.

q La morfología celular es alterada por la presión, la división celular disminuye al incrementar la presión del medio.

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 Para los microorgsnismos el primer sitio de Daño causado por APH es la membrana celular.

q La presión induce mal funcionamiento de la membrana, causando inhibición de aminoacidos debido a la desnaturalización de proteínas.

q Perdida de material intracelular despues del tratamiento con APH.

q Derrame de estos componentes de la celula es indicativo del daño causado a la membrana.

q Las perdidas elevadas de constituyentes celulares están asociadas con un alto número de células muertas.

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 Aquellos compuestos que coayudan a la fluidez de la membrana, tienden a impartir resistencia del organismo a las APH.

q Permeabilza la membrana celular

q No rompe los enlaces covalentes: retiene el flavor y color del alimento

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. Comprobar la no linealidad de las curvas semi-logarítmicas en la inactivación microbiológica mediante modelación matemática.

2. Investigar la influencia de APH en la reducción de poblaciones microbianas usando diseños estadísticos apropiados.

Referencias

1. http://vm.cfsan.fda.gov/~comm/ift-toc.html

2. http://www.freshnerunderpressure.com/

3. Science_hpp_review.htm