Nuevas tecnologías de conservación de alimentos Altas presiones hidrostáticas Pulsos eléctricos de alto voltaje Campos magnéticos oscilantes Pulsos de luz Ultrasonidos: mano-termo-sonicación Nuevos compuestos antimicrobianos

Objetivos Conocer los fundamentos y limitaciones del empleo de altas presiones hidrostáticas en tecnología de alimentos Conocer algunas de las instalaciones actualmente utilizadas en la industria alimentaria Conocer los usos actuales y las aplicaciones potenciales de esta tecnología

Altas presiones hidrostáticas Introducción Efecto de las altas presiones sobre los constituyentes de los alimentos Inactivación enzimática por altas presiones Inactivación microbiana por altas presiones Instalaciones de altas presiones Usos actuales y aplicaciones potenciales en la industria alimentaria

Objetivos de la conservación de los alimentos Prolongar la vida útil de los alimentos Garantizar la salubridad de los alimentos Suministrar alimentos de elevada calidad nutritiva y organoléptica Agentes de alteración de alimentos Agentes físicos Agentes químicos Agentes biológicos - Enzimas endógenos - Microorganismos

Técnicas tradicionales de conservación de alimentos Técnicas basadas en la eliminación de microorganismos Filtración Decantación Centrifugación Filtración esterilizante (ultrafiltración) Técnicas basadas en el control del metabolismo microbiano Conservación por frío Descenso de la aw Acidificación Atmósferas controladas Adición de conservantes Técnicas basadas en la destrucción de microorganismos Altas temperaturas

La conservación de alimentos por AP 5000 Kg Fundamento: Someter al alimento a presiones ultraelevadas (entre 100 y 1000 MPa) durante periodos de tiempo determinados (generalmente entre 1 y 30 min) a temperatura próxima a la ambiental 5000 Kg Esta presión equivale a 1000 MPa 1 cm2 La aplicación de altas presiones logra extender la vida útil de los alimentos, manteniendo su sabor, aroma, color y valor nutritivo.

Evolución histórica 1884/1895 Primeras investigaciones sobre el efecto de las altas presiones en los microorganismos (Certes / Royer) 1899/1914 Se estudia la conservación de distintos alimentos (Hite y col.) 1970 Se estudia el efecto de las altas presiones sobre la inactivación y germinación de esporos bacterianos (Gould y Sale) 1980 Se inician investigaciones en Japón 1990 La Unión Europea financia varios proyectos High Hydrostatic Pressure treatment: Its impact on spoilage organisms, biopolymer activity, functionality and nutrient composition of food systems (AIR1-CT 92-0296) High pressure treatments of liquid foods and derivate products (FAIR-CT96-1113) Combined high pressure-thermal treatment of foods: a kinetic approach to safety and quality evaluation (FAIR-CT96-1175)

Causas que han impulsado el desarrollo de las altas presiones Demanda por parte del consumidor de alimentos mínimamente procesados. Desarrollo experimentado por la tecnología de generación de altas presiones.

PRINCIPIO DE LE CHETALIER PRINCIPIO ISOSTATICO La presión ejercida sobre un líquido se transmite instantáneamente y con la misma intensidad en todas las direcciones y sentidos Presión Hidrostática Presión Unidireccional La presión hidrostática es exactamente la misma en todos los puntos del medio. La intensidad del tratamiento es independiente del volumen o de la masa de producto a procesar. PRINCIPIO DE LE CHETALIER Los procesos asociados a una reducción del volumen son favorecidos por un aumento de la presión, mientras que los procesos asociados a un aumento de volumen son inhibidos

Efectos de las altas presiones sobre el agua Compresibilidad A 22°C, el volumen se reduce un 4 % a 100 MPa y un 15 % a 600 MPa Descenso del pH 0,73 unidades al presurizar a 100 MPa a 25°C Incremento de la temperatura 2 - 3°C por cada 100 MPa de aumento de presión Modificación de la tª de congelación A 210 MPa el agua congela a -22°C Aplicaciones prácticas: Posibilidad de descongelar muestras biológicas entre -20 y 0°C, rápida y uniformemente Almacenamiento de muestras biológicas en estado líquido a temperaturas entre 0 y -20°C Congelación ultrarrápida presurizando hasta 200 MPa, enfriando hasta -20ºC y descomprimiendo

Efecto de las altas presiones sobre los enlaces moleculares Ruptura de enlaces iónicos y algunos hidrofóbicos (por electroconstricción) Estabilización de enlaces por puentes de hidrógeno No afectan a los enlaces covalentes Consecuencias: No se ven afectadas las moléculas pequeñas: aminoácidos, vitaminas, pigmentos, etc. Modificación de la estructura tridimensional de moléculas grandes y complejas: proteínas, almidón, etc.

Efectos de las altas presiones sobre las proteínas estructura primaria y secundaria: permanecen estables estructura terciaria y cuaternaria: cambios conformacionales cambios en el grado de solvatación Proteína Nativa Proteína Desnaturalizada H O

Efectos de las altas presiones sobre las proteínas Consecuencias: disociación de proteínas poliméricas desplegamiento parcial desnaturalización aumento de la digestibilidad agregación proteica gelificación Factores que influyen: pH y fuerza iónica del medio temperatura estructura proteica

Efectos de las altas presiones sobre otros componentes de los alimentos Almidón más susceptible a las amilasas conserva su estructura granular al gelatinizar Ácidos nucleicos resistentes a las altas presiones Lípidos aumenta la temperatura de fusión 10°C cada 100 MPa

Conservación de alimentos por altas presiones hidrostáticas Inactivación de determinadas enzimas Efecto letal sobre los microorganismos

Inactivación enzimática por altas presiones Resistencia muy variable Características del medio Intensidad del tratamiento Tipo de enzima ATPasas y Deshidrogenasas, sensibles Enzimas de origen vegetal, resistentes Pectínmetilesterasas, Peroxidasas, Polifenoloxidasas 600MPa, 20 min Inactivan 60% de Pectílmetilesteras 400MPa, 15 min Alimento microbiológicamente estable Consecuencia: Necesidad de combinar las altas presiones con otro método de conservación para conseguir un alimento estable: calor adición de inhibidores enzimáticos

Inactivación enzimática por altas presiones hidrostáticas Efecto de la intensidad del tratamiento Tiempo Log actividad enzimática 300 MPa 400 MPa 600 MPa

Destrucción de microorganismos por altas presiones Resistencia muy variable Condiciones de tratamiento Presión Temperatura Tiempo Velocidad de compresión y descompresión Características del medio de tratamiento pH aw Composición del alimento Características de los microorganismos Fase de crecimiento Tipo de microorganismo

Influencia del medio de tratamiento en el efecto de las altas presiones Listeria monocytogenes (375 MPa, 15 min, 20 °C) 9 N0 1x10 1 2 3 4 5 6 7 8 Nº de supervivientes Tampón pH7 Carne de pollo Leche (Patterson et al., 1995)

Inactivación microbiana por altas presiones Sensibilidad levaduras Gram - virus complejos mohos Gram + ascosporas (mohos) Byssochlamys esporos bacterianos Se inactivan a 200 - 400 MPa Se inactivan a 400 MPa Resisten hasta 700 MPa / 15 min Resisten hasta 1200 MPa Resistencia

Efecto de las altas presiones en distintos microorganismos (300 MPa, 20 °C, 20 min, pH 7) 1x10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nº de Supervivientes E. coli P. aeruginosa S. aureus S. cerevisiae B. cereus (Cheftel, 1995) N0

Efecto de las AP en las esporas bacterianas Resisten hasta 1200 MPa a temperatura ambiente, pero se pueden destruir a temperaturas más altas Germinan a 50 - 400 MPa. Una vez germinadas, se inactivan de modo similar a las células vegetativas Problema: presencia de esporas superlatentes Se puede conseguir la destrucción completa mediante la aplicación de ciclos de presión a temperaturas elevadas Efecto de la temperatura en la inactivación de B. cereus a 690 MPa

Mecanismo de inactivación microbiana por APH Componente lipídico Cambios en la morfología de las células - Compresión de vacuolas de gas - Alargamiento de las células - Modificaciones del citoesqueleto - Modificación de orgánulos citoplasmáticos Coagulación de proteínas citoplasmáticas Inhibición e inactivación de algunos enzimas Modificación de la permeabilidad celular - Cristalización de los lípidos de membrana - Formación de poros - Liberación de componentes intracelulares - Inactivación de ATPasas de membrana - Descenso del pH citoplasmático Daño celular 1 2 3 4 Presión Log UFC/ml

Procesos Combinados con Altas Presiones Altas presiones y temperatura Ciclos de presión Altas presiones y antimicrobianos Altas presiones y CO2 Altas presiones con: pulsos eléctricos campos magnéticos

Combinación de AP y compuestos antimicrobianos Escherichia coli (270 MPa, 15 min, 25 °C) Nisina (100 UI/ml) Lisozima (10 g/ml) AP+N+L 1x10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nº de supervivientes Nisina (N) Lisozima (L) Altas presiones (AP) AP+N AP+L ( Hauben et al, 1996)

Componentes de una instalación de AP Cámara en la que se aplica el tratamiento Sistema de generación de presión Dispositivo de control de las condiciones de tratamiento presión tiempo temperatura Sistema de transporte del producto Extracción del zumo Preparación del producto Llenado Almacenamiento Vaciado Planta de Procesado por Altas Presiones

Cámara de tratamiento Alambre bobinado Marco Cierre final Cilindro central forjado Entrada Medio de presurización Alimento bajo presión Cierre final

Tipos de construcción de cámaras de tratamiento Doble cilindro Acero preesforzado Bobina de alambre Cierre a rosca Marco

Sistemas de generación de altas presiones hidrostáticas Pint = Pext x (Sext /Sint ) Sistema Directo Sistema Indirecto

Características de un buen equipo de AP Capacidad para tratar grandes volúmenes de alimento a presiones elevadas Ciclo de trabajo corto Facilidad para la limpieza y la esterilización Seguridad en el manejo Sistema preciso de control del proceso Presión (MPa) Volumen (L) 100 9.000 200 3.150 410 1.250 550 700 690 37 1.030 8,5 1.380 3,5 (Mertens y Deplace, 1991)

Tipos de Tratamientos Proceso discontinuo Alimentos envasados (en envases flexibles) EVOH, PVOH alimentos sólidos y líquidos menores riesgos de contaminación instalaciones sencillas ciclo de trabajo largo Alimentos a granel mayor eficiencia en el llenado ciclos de trabajo más cortos sólo fluidos bombeables precaución con alimentos ácidos instalaciones más complejas

Procesado semicontinuo de líquidos a granel Válvulas Alimento Pistón Agua presurizada 1 2

Productividad Número de ciclos por cámara de tratamiento y por hora Volumen de la cámara y volumen útil Número de unidades del sistema Costes Equipo (215 L / 690 MPa ): 650 M. ptas Producción (5 unidades ): 70.000 Tm / año Depreciación: 10 años Costes por kilo: 16 ptas/ kg

Aplicaciones Actuales

Aplicaciones de las altas presiones Conservación de alimentos Usos actuales - Procesado de zumos, mermeladas, etc. - Acelerar la maduración de la carne - Conservación de alimentos tipo emulsión (salsas, etc.) Usos potenciales - Conservación de aceites esenciales, especias, etc. - Tratamiento de Derivados Lácteos - Reemplazar la adición de SO2 en vinos - Esterilización de alimentos Preparación de alimentos Formación de geles: - Pasta de surimi - Geles de proteínas del huevo - Geles lácteos

Perspectivas de futuro Los costes y limitaciones de esta tecnología no hacen previsible su uso a gran escala Sin embargo ofrece alternativas para: higienización de productos de alto valor añadido y/o sensibles al calor preparación de alimentos con unas características reológicas determinadas

Bibliografía Libros Internet Barbosa-Cánovas, et al. (1999) Acribia. ACB Pressure Systems: www.acb-ps.com Engineered Pressure Systems: www.epsi-highpressure.com Flow International Co.: www.flowcorp.com Ohio State University: grad.fst.ohio-state.edu UK High Pressure Club for Food Processing: www.highpressure.org.uk

Sistemas de generación de altas presiones hidrostáticas Sistema Directo Sistema Indirecto Pint = Pext x (Sext /Sint )

Equipos de Laboratorio Engineered Pressure Systems Características Volumen: 0,6 Litros Presión: 600 MPa Temperatura: hasta 90ºC Instituto del Frío (CSIC), Madrid ACB Características Volumen: 2 Litros Presión: 500 MPa

Equipos Industriales Avomex (EEUU): Procesado de Guacamole Flow International Corporation Características Volumen: 215 Litros Presión: 600 MPa ACB: ACIP 5000/50/28 HB Características Diámetro interior: 28 cm Volumen: 50 Litros Presión: 500 MPa Temperatura: -20 a 80ºC Flow International Corporation Características 3 Cámaras de tratamiento Procesado semicontinuo

Equipos Industriales Espuña (España): Procesado de Jamón Cocido Envasado al Vacío ACB: ACIP 4000/320/28 HB Características Longitud total: 18,5 m Peso : 44.000 kg Diámetro interior: 28 cm Diámetro exterior: 80 cm Volumen: 320 Litros Presión: 400 MPa Datos de Producción Ciclos de 15 minutos 4 ciclos x hora 125 kg x ciclo 500 kg x hora