Bioq. MSc Luciana CostabelINTA EEA Rafaela

Altas presiones hidrostáticas: características generales de la tecnología y aplicaciones en lácteos

INTA EEA RafaelaDr. Sergio R. Vaudagna

Instituto Tecnología de Alimentos, CNIA, INTA Castelar

Jornadas de Innovación y Actualización Tecnológica- JIAT 2014-

Rafaela, 5 y 6 junio 2014

Nuevas Tecnologías Nuevas Tecnologías “Tecnologías de naturaleza térmica o no térmica que permiten asegurar inocuidad y extender vida útil de los alimentos, minimizando el efecto del proceso sobre la calidad nutricional y sensorial”

•Generación interna de energía•Minimización de efectos térmicos•Reducción de tiempos de proceso•Reducción de tiempos de proceso

• Aplicaciones en desarrollo de productos y optimización de procesos

9- Lista para comercialización a gran escala

8-Factibilidad económica y marco

regulatorio establecido

7-Factibilidad económica o marco

regulatorio establecido (no ambos)

6- Sistema disponible a nivel comercial

DE

SA

RR

OL

LO

DE

TE

CN

OL

OG

IAD

ES

AR

RO

LL

O D

E T

EC

NO

LO

GIA

EMERGENTESEMERGENTES

MADURAS MADURAS (EMERGED)(EMERGED)

CLASIFICACION DE TECNOLOGÍAS SEGÚN SU DESARROLLOCLASIFICACION DE TECNOLOGÍAS SEGÚN SU DESARROLLO

6- Sistema disponible a nivel comercial

5- Prototipo disponible a nivel piloto

3 y 4- Validación experimental y analítica

2-Concepto de la tecnología y/o

aplicación formulado

1-Principios básicos observados

DE

SA

RR

OL

LO

DE

TE

CN

OL

OG

IAD

ES

AR

RO

LL

O D

E T

EC

NO

LO

GIAEN DESARROLLOEN DESARROLLO

NUEVAS TECNOLOGIASNUEVAS TECNOLOGIAS

(NOVEL TECHNOLOGIES)(NOVEL TECHNOLOGIES)

MADURASMADURAS EMERGENTESEMERGENTESEN EN

DESARROLLODESARROLLO

IRRADIACION (9)

ALTAS PRESIONES

HIDROSTATICAS (8-9)

TEC. MEMBRANAS (9)

OZONO (8-9)

CAMPOS ELECTRICOS

PULSADOS (6-7)

UV (6)

LUZ PULSADA

CALENTAMIENTO

ELECTROMAGNETICO (6-7)

CALENTAMIENTO OHMICO (7)

PLASMA FRIO (3-4)

SONICACION (5)

OTRAS

1890 -Primeros estudios

1980 - Investigación

1990 – Primeros productos (Meidi-ya Co.,

Japón: mermeladas de frutilla, kiwi y

manzana)

2013 - Más de 150 productos en el mercado

Es un proceso que consiste en someter a los alimentos envasados en

envases flexibles y herméticos, a un alto nivel de presión hidrostática

(entre 3000 y 9000 bares) durante un tiempo corto (minutos).

¿Qué es el procesamiento por altas presiones hidrostáticas?

1000 bars = 987 atm = 100 MPa

> 5X

•••• Principio IsostáticoAplicación de la presión es instantánea y uniforme a través de la muestra

•••• Principio de Le ChatelierLa reacciones que resultan en un cambio de volumen son

afectadas por la aplicación de la APH

Principios del procesamiento por APH

afectadas por la aplicación de la APH

Volumen son aceleradas

Volumen son suprimidas

Debido a que los alimentos son sistemas complejos resulta difícil predecir el

efecto de la APH sobre su calidad higiénico-sanitaria, sensorial y nutricional.

Principales Ventajas

• Reduce drásticamente la flora microbiana contaminante (3-5 Log)

• Inactivación de mo. patógenos:

•Salmonella

• Listeria monocytogenes: FSIS-USDA (2006) estableció el requerimiento de aplicar en productos

listos para consumir, luego del fetedo/porcionado/pelado y envasado, un proceso bactericida

(APH, pasteurización con vapor o agua caliente) y un agente antimicrobiano

Extiende la vida útil de los productos (duplica o triplica)

• La alta presión no afecta los enlaces covalentes: los compuestos de bajo peso

molecular (vitaminas, componentes del aroma y sabor) no se alteran hasta 1000 MPa a

temperatura ambiente.

• Extiende la vida útil de los productos (duplica o triplica)

• La presión se transmite en forma uniforme e instantánea en todo el alimento

• El tiempo de proceso es independiente del tamaño de la muestra

Otras ventajas de las APH

•Menor consumo de energía que las tecnologías térmicas

•No produce residuos: utiliza agua corriente

•Seguro para los trabajadores

•Aceptado por consumidores•Aceptado por consumidores

Elementos de un sistema de alta presión (industrial)

•Cilindro de alta presión

•Cierres del cilindro

•Sistema de generación de la

presión

•Sistema para la carga de•Sistema para la carga de

producto

•Dispositivos para control

automático y medición de

temperatura y presión

Elementos de un sistema de alta presión (piloto)

•Cilindro de

alta presión

•Cierres del

cilindro

•Sistema para

la carga de

producto

•Sistema de

generación de

la presión

•Dispositivos para control

automático y medición

de temperatura y presión

Etapas del tratamiento con APH (sistemas batch)

1. Envasado del alimento

Envase flexible (co-polimero etilen-vinil alcohol –EVOH- y polivinil alcohol-PVOH-,plásticos multilaminados).

La forma del envase debe ser seleccionada considerando el tamaño del cilindro, de formade incrementar la productividad.

Annual Global Beverage

Innovation Awards.

Drinktec, Munich, 2009Sistema de envasado Skin

(Tapas, Espuña)

Jugos de frutas en pouches

(Presh-a-Fruit)

Etapas del tratamiento con APH (sistemas batch)

a) Carga del producto

2. Aplicación del ciclo de operación (compresión indirecta)

b) Cierre del sistema

c) Compresión hasta la presión de trabajo

d) Tiempo de mantenimiento a la presión de trabajo (holding time)

e) Descompresión (en dos o más etapas para evitar ruptura del producto)

f) Apertura del cilindro

g) Descarga del producto

Tipos de aplicaciones de las APH en función de la presión y la temperatura

Adaptado de Hiperbaric

PARAMETRO

AMBITO

INVESTIGACIONCOMERCIAL/

INDUSTRIAL

Presión máxima 1300 MPa 600 MPa

Parámetros Operativos

Tiempo de mantenimiento

variable < 10 min

Temperatura -40°C a 120°C 5°C a 40°C

Calentamiento por compresión adiabática

Depende de:

•temperatura inicial

•compresibilidad

•nivel de presión

•capacidad calorífica (Cp)

•Mayor calentamiento por•Mayor calentamiento por

compresión en grasas y

aceites (6 a 9 ºC cada 100

MPa)

•Menor calentamiento en

agua y alimentos de alta

humedad (3 ºC cada 100 MPa

a temp. ambiente)

Fuente: Barbosa-Canovas and Rodriguez., chapter 9 Novel Food Processing Technologies, 2005. CRC Press

Efecto del tratamiento con APH sobre la inactivación de

microorganismos

•Células vegetativas: en general son inactivadas entre 400 y 600 MPa

•Esporos bacterianos: mayor resistencia que las células vegetativas (en

algunas especies resisten hasta 1000 MPa a 25ºC)

Fuente: Palou et al., Handbook

of Food Preservation, chapter

34, Second Edition, 2007

Factores que influyen sobre la efectividad del tratamiento con

APH sobre la inactivación de células vegetativas

Factores IntrínsecosTipo de microorganismos

Actividad de agua, composición y pH

Factores Extrínsecos

Nivel de presión

Tiempo de mantenimiento de la presión

Nivel de Temperatura

Velocidad de compresión y

descompresión

Alimentos que pueden ser tratados con APH

• Alimentos sólidos envasados al vacío

- Productos cárnicos curados (cocidos o crudos) y carnes listas para

consumir (RTE)

- Pescados y mariscos

- Mermeladas y jaleas

- Purés y salsas- Purés y salsas

- Frutas en trozos

• Alimentos líquidos, envasados en envases flexibles

- Jugos de fruta

- Productos lácteos

• Alimentos sólidos con aire incluido

- Pan

- Espumas (mousse)

• Alimentos envasados en envases completamente rígidos

Alimentos que no pueden ser tratados con APH

- Latas

- Envases de vidrio

• Alimentos con actividad de agua muy baja

- Especias

- Frutas secas

Aplicaciones de APH por grupos de alimentos

Otros

17%

Mariscos y

Pescados

15%

Productos

Jugos y bebidas

14%

Productos

vegetales

28%

Productos

cárnicos

26%

Comercialización mundial de productos tratados por APH en 2013: 400.000 Tn

Productos cárnicos curados/salados secos

Jamón curado en fetas y entero, prosciutto

Productos carnicos cocidos

Jamón cocido fileteado (cerdo, pavo, etc), salchichas, medallones o centros de carne de ave, pollo cocido.

Productos ready-to-eat

Pinchos –salchichas y chorizos bombón-, pechuga cocida en rodajas, carne trozada para fajitas.

Hamburguesas de carne vacuna FressureTM (EEUU)

Vida útil 21 días tratadas con APH vs 10 días no tratadas

Productos Frutihorticolas

Jugos y licuados de frutas y hortalizas (énfasis en orgánicos)

Preshafruit

Productos Frutihorticolas

Purés y salsas (sin aditivos)

Fresherized Foods

Rellenos para sandwichs en base a queso crema (España)

Bebida a base de calostro

Productos Lácteos

Licuados con yogurt (España)Bebida a base de calostro

(Nueva Zelanda)

Productos Lácteos

Yogurt bebible (I’m Real, Corea)

Snack, Deli 24 (UK)

Mariscos y Pescados de mar

Aseguramiento inocuidad y extensión vida útil

colas de langostas cake de cangrejo

salmón, atún y merluza RTEostras

Hiperbaric (Burgos, España)

Equipamiento APH Industrial

Avure Technologies Inc. (Ohio, USA)

Equipamiento APH Industrial

215 L -600 MPa

350 L -600 MPa

35 L -600 MPa

Equipamiento APH Laboratorio

Stansted Fluid Power Ltd

2 L

900 MPa - 20 ºC a 120 ºC

Principales aplicaciones de la tecnología APHen el procesamiento de productos lácteos

•Pasteurización fría: asegurar inocuidad y extender vida útil•Pasteurización fría: asegurar inocuidad y extender vida útil(inactivación de microorganismos patógenos y alteradores)

•Optimización de procesos convencionales y desarrollo denuevos productos

40

60

80

100

So

bre

vive

nci

a (

%)

Inactivación de microorganismos en leche de vaca presurizada a diferentes nivelesde presión durante 15 min o pasteurizada térmicamente (72ºC-15 s)

Pasteurización fríaLeche de diferentes especies

Efecto sobre microflora contaminante

0

20

40

0 200 400 600 800 72ºC-15s

So

bre

vive

nci

a (

%)

Presión (MPa)

Aerobios mesof ilos totales Lactobacilos Levaduras y hongos Bacterias Psicrotrofas

Fuente: Kolakowski et al., Process Optimisation and Minimal Processing of Foods, Proceeding of thirdmeeting, Volume 4: High Pressure, Leuven, Belgium, 1997

Pasteurización fríaLeche de diferentes especies

Tabla 1: Recuentos de microorganismos (ufc ml-1) en leche de cabra cruda,

pasteurizada térmicamente y tratada con APH

Microorganismo

Tratamiento

Control

(leche cruda)

Pasteurización Térmica

(72ºC-15 s)

Tratamiento APH

(500 MPa, 15 min, 20ºC)

Aerobios mesófilos totales 8,2 x 105 4,6 x 103 4,9 x 103

Efecto sobre microflora contaminante

Bacterias psicrotrofas 7 x 105 < 10 < 10

Enterobacteriaceae 6,9 x 104 ND ND

Lactobacilos 2,3 x 103 ND ND

Micrococcaceae 2,1 x 103 310 32

Enterococos 6 x 103 14 < 10

Fuente: Buffa M. et al., Food Microbiology 2001, 18, 45-51

El tratamiento APH aplicado a leche de cabra fue capaz de reducir los recuentos de microorganismos enforma similar al tratamiento de pasteurización térmica (tratamiento HTST, 72 ºC – 15 s). Reducción deaproximadamente 2 ciclos log de microorganismos aerobios mesofilos totales y > 3 en otros recuentos

Efecto de las altas presiones sobre la caseína

El efecto más importante de la alta presión sobre las proteínas lácteas es ladisrupción de las micelas de caseína. Este efecto se da a presiones superioresa 200 MPa y resulta en la formación de micelas de menor tamaño. También seproduce un aumento progresivo de caseína soluble en el suero

Fuente: Needs E., Ultra high pressure treatment of food, 2001. Kluwer Academic/Plenum Publishers

Efecto de las altas presiones sobre otros componentes dela leche

Proteínas séricas:

•Beta-LG es la mas afectada: a partir de los 200 MPa comienza la

desnaturalización. A parir de los 300 MPa se incrementa en formadesnaturalización. A parir de los 300 MPa se incrementa en formaimportante y a 500 MPa se desnaturalizo el 80% de la Beta-LG

•Alfa-LA presenta mayor estabilidad que Beta-LG. La

desnaturalización comienza a 400 MPa.

•Immunoglobulinas presentan también alta estabilidad, a diferencia de

los tratamientos térmicos (alternativa para la preservación de calostro)

Lactosa: el tratamiento con APH no la afecta (no se produce isomerización

ni reacción de Maillard)

Lípidos: el tamaño y la cantidad de los glóbulos grasos se modifica por el

tratamiento con altas presiones: a temperatura ambiente y moderadas

Efecto de las altas presiones sobre otros componentes dela leche

tratamiento con altas presiones: a temperatura ambiente y moderadasincrementa a la cantidad de glóbulos de menor tamaño y a temperatura de

refrigeración el efecto es opuesto.

Efecto de las altas presiones sobre las propiedades

fisicoquímicas

El efecto de la alta presión sobre las micelas de caseína tiene a su vezconsecuencia sobre las propiedades fisicoquímica de la leche.

•La luminosidad (L*) y la turbidez disminuyen y la transmitancia aumenta conel incremento de la presión, particularmente entre 200 y 400 MPa. A presionessuperiores a 400 MPa, no se observan modificaciones adicionales de estosparámetros.

Efecto de la alta presión sobre luminosidad, turbidez, transmitancia y tamaño de micela de

leche descremada

Presión Luminosidad (L*) Turbidez Transmitancia Tamaño de micela (nm) Presión

(MPa)

Luminosidad (L*) Turbidez Transmitancia

(%)

e

Tamaño de micela (nm)

a b c a d a b c

Control 85 86 71 9 0.70 2 200 190 180

100 ---- ---- ---- ---- 0.60 2 ---- ---- ----

200 83 80 63 8 0.36 2 180 190 196

300 ---- 67 ---- ---- 0.20 29 ---- ---- ----

400 73 67 55 4 0.19 38 130 120 110

500 ---- 65 ---- ---- 0.19 35 ---- ---- ----

600 71 66 52 3 0.19 37 120 100 106

a) Datos tomados de Desobry-Bannon et al. (1994); Turbidez (104 Unidad de Turbidez Nefelométrica) b) Datos

publicados por Johnston et al. (1992) c) Datos tomados de Gaucheron et al. (1997) Datos publicados por Needs et al. (2000); Turbidez, A320nm d) Datos tomados por Shibauchi et al. (1992); Transmitancia, T570nm

•Los otros parámetros cromáticos también son afectados por el aumento de lapresión: a* disminuye y b* aumenta. Es decir que las muestras se tornarían mas

amarillo-verdosas.

•En general el efecto de las altas presiones sobre el la apreciación visual (análisissensorial) no es importante, excepto a las presiones más elevadas (500 – 600

MPa) y tiempos de tratamiento largos (> 10 min).

Efecto de las altas presiones sobre las propiedades fisicoquímicas

y sensoriales de leche

Conclusiones pasteurización fría de leches

Permite alcanzar reducciones de recuentos microorganismos contaminantes y

patógenos similares a la pasteurización térmica.

Produce modificaciones en algunos componentes de la leche y en consecuencia,

cambios en las propiedades fisicoquímicas.

No existen aplicaciones comerciales correspondiente a la pasteurización fría de

leche.

Muchas gracias por su atención

vaudagna.sergio@inta.gob.arvaudagna.sergio@inta.gob.ar

Microorganismo PresiónReducciones

decimales

Pseudomonas fluorescens entre 200 y 300 MPa2 a 6

7 para 50ºC

E. Coli y

Listeria innocua

300 MPa2 a 3

> 6 para 50ºC

400MPa 4 a 6

400 MPa 1 a 2Lactobacillus helveticus

Staphylococcus aureus

400 MPa 1 a 2

500 MPa3

> 6 para 50ºC

Para obtener reducciones considerables (3 o superior) fue necesarioaplicar presiones de 300 MPa para Pseudomonas fluorescens, 400 MPapara E. Coli y Listeria innocua y 500 MPa Lactobacillus helveticus yStaphylococcus aureus

Fuente: R. Gervilla Fernandez, Tesis Doctoral, Universidad Autónoma de Barcelona, 2001

Efecto sobre microorganismos indicadores inoculados

Estudio del efecto de la presión, tiempo y temperatura sobre lainactivación de microorganismos de interés sanitario y tecnológicoinoculados (Gervilla et al. J Food Prot. 1997, 60(1), 33-37)

Pseudomonas fluorescens (indicador de Pseudomonas spp., generoprincipal de la microflora alteradora desarrollada durante laprincipal de la microflora alteradora desarrollada durante larefrigeración)

E. Coli (indicador de contaminación fecal)

Listeria innocua (indicador de L. monocytogenes)

Lactobacillus helveticus (indicador de microflora láctica)

Staphylococcus aureus

Efecto de la presión y la temperatura sobre la letalidad de los microorganismosinoculados en leche de oveja.

Fuente: R. Gervilla Fernandez, Tesis Doctoral, Universidad Autónoma de Barcelona, 2001