Aplicación de Altas Presiones en la Conservación de ... y... · aplicada para que tu trabajo...

125
No es suficiente que entiendas acerca de la ciencia aplicada para que tu trabajo incremente las bendiciones del hombre La preocupación por el hombre mismo y su destino debe siempre formar parte del interés primordial de todos los esfuerzos técnicos, preocuparnos por los grandes problemas no resueltos en la organización del trabajo y en la distribución de los bienes – para que las creaciones de nuestra mente sean una bendición y no una maldición para la humanidad Nunca olvides esto en medio de tus diagramas y ecuaciones Albert Einstein

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No es suficiente que entiendas acerca de la ciencia aplicada para que tu trabajo incremente las bendiciones del hombre

La preocupación por el hombre mismo y su destino debe siempre formar parte del interés primordial de todos los esfuerzos técnicos, preocuparnos por los grandes problemas no resueltos en la organización del trabajo y en la distribución de los bienes – para que las creaciones de nuestra mente sean una bendición y no una maldición para la humanidad

Nunca olvides esto en medio de tus diagramas y ecuaciones

Albert Einstein

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Maestría en Ciencias

Productos Naturales y Alimentos

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UNIVERSIDAD DE LAS AMÉRICAS PUEBLA

¿De dónde soy?

Centro para la Educación de las Ciencias, Ingenierías y Tecnologías

Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental

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Puebla

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Universidad de las Américas Puebla

• Es una institución privada de educación superior – Aproximadamente 7,000 estudiantes

• La Commission on Colleges de la Southern Association of Colleges and Schools (SACS) – ha acreditado a la UDLAP

• En los Estados Unidos desde 1959

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Departamento de Ingeniería Química,

Alimentos y Ambiental

• Dos programas de maestría – Ciencia de Alimentos

– Ingeniería Química

• Dos programas de doctorado – Ciencia de Alimentos

– Educación de las Ciencias, Ingenierías y tecnologías

Padrón Nacional de Posgrados de Calidad

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Departamento de Ingeniería Química,

Alimentos y Ambiental

• Tres programas de licenciatura

– Ingeniería Ambiental • Nueva creación

– Ingeniería Química • Acreditado por el Consejo de Acreditación de la

Enseñanza de la Ingeniería – CACEI

– Ingeniería de Alimentos • Acreditado por CACEI

• Aprobado por el Institute of Food Technologists – IFT

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UNIVERSIDAD DE LAS AMÉRICAS PUEBLA

Ultra Altas Presiones

Estado del Arte y Perspectivas

Enrique Palou

Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental

Centro para la Educación de las Ciencias, Ingenierías y Tecnologías

2009 HP Technology for Teaching

Worldwide Higher Education Conference

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Centro para la Educación de las Ciencias, Ingenierías y Tecnologías

Reflexión

• Esta es una charla para ayudarlos a

pensar de la manera en que un(a)

experto(a) en altas presiones piensa

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Dreams?

Consumers are demanding miracle foods that are totally natural, have zero calories, zero fats and cholesterol, delicious taste, total nutrition, low price, environmentally friendly production, ‘green’ packaging… and that guarantee perfect bodies, romance and immortality

(Carol Brookins, Global Food and Agriculture Summit, 1999)

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What is natural?

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Mayor conveniencia

– Fácil preparación

– Fácil almacenamiento

– Vida de anaquel

satisfactoria

Más frescos

Más naturales

– Menos aditivos

Mayor calidad

– Mejorar

• Sabor

• Textura

• Apariencia

Más saludables

Mínimo empaque

Más seguros

Tendencias en demandas del consumidor

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Procesado menos

severo

– menor tratamiento

térmico

– minimizar

• sobre-procesamiento

• daño por congelación

Mayor uso de

sistemas “naturales”

de conservación

Menores niveles

– sal, grasas y azúcares

Disminuir el uso de aditivos

– Menor uso de conservadores

químicos

Reducir empaques

– más “ecológicos”

Tecnología de obstáculos

Reacción de la industria de alimentos

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Tecnologías Emergentes Térmicas

– Ultra alta temperatura • UHT

– Alta temperatura y corto tiempo

• HTST – Envasado Aséptico – Calentamiento Ohmico – Microondas – Radiofrecuencia – Manotermosonicación

No-Térmicas – Pulsos Lumínicos – Campos Magnéticos – Campos Eléctricos – Luz Ultravioleta – Ultrasonido – Bio-conservación – Películas Comestibles – Plasma – Irradiación

• Rayos g • e- • Rayos X

– Altas Presiones

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Dr. Charles Sizer Ex-Director

National Center for Food Safety and Technology

"Ultra High-Pressure is the most exciting food safety technology to

have emerged in the last 20 years..."

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Historical Timeline 1895 Royer uses high pressure

to kill bacteria 1899 Hite examined pressure

effects on milk, meat, fruits and vegetables

1914 Bridgman coagulated egg

albumen under pressure

1980’s First commercial products

in Japan – fruit juices & toppings,

jams, tenderized meats

1995 – Orange juice in France

1997 – Guacamole in the US – Sliced ham in Spain

1999 – Oysters in the US

2000 – Salsas in the US

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Hite, 1899 West Virginia Agricultural Experiment Station

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Hite, 1899 West Virginia Agricultural Experiment Station

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Institutions currently involved in research on high pressure

University Departments Bundesforschungsanstalt für

Ernährung Katholieke Universiteit Leuven McGill University Oregon State University Technische Universität Berlin The Queen’s University of Belfast The University of Reading Universität Heidelberg University of Delaware University of Florida University of Leeds Washington State University Universidad de las Américas, Puebla

Research Institutions Agrotechnological Research

Institute Wageningen Campden and Chorleywood

Food Research Association Parma Experimental Station for

the Food Preserving Industry Quebec Food Research and

Development Centre Food Science Australia National Center for Food Safety

and Technology VTT Technical Research Center

of Finland

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High Pressure Basics How High is High Pressure?

MPa bar atm psi 100 1,000 986 14,503 200 2,000 1,972 29,006 300 3,000 2,958 43,509 400 4,000 3,944 58,012 500 5,000 4,930 72,515 600 6,000 5,916 87,018 700 7,000 6,902 101,521 800 8,000 7,888 116,024 900 9,000 8,874 130,527 1,000 10,000 9,860 145,030

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High Pressure Basics

Two elephants balanced on a piston with a cross section of a dime will create a pressure of 400 Mega Pascal (MPa)

This is approximately 60,000 pounds per square inch

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Where on Earth could you find these pressures?

High Pressure Basics

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High Pressure Basics Microorganisms are typically

found in many foods. Some microorganisms are harmless and will only spoil food

But other microorganisms such as E. coli 0157:H7 in fresh juice or Listeria monocytogenes in ready to eat meats can make some people very ill

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High Pressure Basics

High Pressure can kill microorganisms by interrupting with their cellular function without the use of heat that can damage the taste, texture, and nutritional value of the food.

MPa MPa

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La presión debe exceder un valor umbral antes de que ocurra inactivación

De Lado y Yousef, 2002

Presión (MPa)

0,1

50

100

200

300

Presión atmosférica

Desnaturalización irreversible de proteínas

Pérdida de contenido celular

Daño a membranas

Señales de pérdida de contenido celular

Desnaturalización reversible de proteínas

Compresión de gases de vacuolas Inhibición de la síntesis de proteínas

Reducción en el número de ribosomas

Cambios funcionales y estructurales en los microorganismos

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2 m

Untreated Zygosaccharomyces

bailii

1998: Palou Ph.D. Dissertation

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7.5 m 2 m

345 MPa, 10 min

1998: Palou Ph.D. Dissertation

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Neosartorya fischeri untreated ascospores

15 m

ornamented

equatorial

crests

1998: Palou Ph.D. Dissertation

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untreated ascospore

1.2 m

typically

reticulate

1998: Palou Ph.D. Dissertation

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1.5 m

5 min continuous @ 689 MPa & 60°C

surface

roughening

1998: Palou Ph.D. Dissertation

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one 1 s cycle @ 689 MPa & 60°C

3 m

leakage of

internal

substances

1998: Palou Ph.D. Dissertation

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five 1 s cycles @ 689 MPa & 60°C

3.0 m 1998: Palou Ph.D. Dissertation

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High Pressure Basics

Hydrostatic pressure creates no shear force to distort food particles. Thus, any moist food such as a whole grape can be exposed to ultrahigh-pressures without being crushed

You can create a hydrostatic pressure by squeezing on a water filled plastic bottle. No matter how hard you squeeze, you can not crush a grape placed inside

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High Pressure Basics

One of the unique advantages of ultrahigh-pressure processing is that pressure transmission is instantaneous and uniform

Pressure transmission is not controlled by product size and no edge or thickness effect takes place

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High Pressure Basics

subjected to 500 MPa

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High Pressure Basics

Styrofoam Cup subjected to 250 MPa

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High Pressure Basics

MPa MPa

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High Pressure Basics

Due to the low compressibility of water, the amount of energy needed to compress food is relatively low

UHP is more energy efficient than many high temperature food production methods

In addition, UHP requires only electricity and water and results in no dangerous emissions

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Temperature change due to adiabatic compression Substance at 25ºC Temperature change (°C) per 100 MPa Water ~3.0 Mashed potato ~3.0 Orange juice ~3.0 Tomato salsa ~3.0 2%-Fat milk ~3.0 Salmon ~3.2 Chicken fat ~4.5 Water/glycol (50/50) 4.8 to < 3.7a Beef fat ~ 6.3 Olive oil 8.7 to < 6.3a Soy oil 9.1 to < 6.2a

a Substances exhibited decreasing T as pressure increased

2002: Food Technology 56(2): 31

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Pressure, temperature, and time points that should be reported

2002: Food Technology 56(2): 31

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High Pressure Basics Electrostriction

Pressure leads to increased ionization, because water molecules arrange more compact around electric charges

This results in more or less pronounced negative and reversible pH shifts dependant on the chemical nature of the buffer

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High Pressure Basics

Principle of Le Chatelier

Chemical reactions which result in a decrease in total volume are enhanced by pressure – negative activation volume

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What can a High Pressure Processor do?

Preservation in Unfrozen State – Below 0°C

Organic Synthesis – Compose New

Materials • Medicine • Agricultural • Chemical • Cosmetic

Preservation – Pasteurization – Sterilization

Texturization – Denaturation

• Protein Gelation • Starch Gelation

Thawing / Freezing – Rapid

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High Pressure Publications from our Research Group

2 Books – 1998: Nonthermal Preservation of Foods

– Marcel Dekker

– 1999: Conservación No Térmica de Alimentos – Acribia

8 Book Chapters – 1999-2013

12 Papers – 1997-2013

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High Pressure Pasteurization Treatments

blanching

refrigeration sto rage

high pressure

water activity - pH

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Technical Data for High Pressure Treatment of AVOCADO PUREE

Product Processing Avocado puree In-container 1.5% sodium chloride 100-g plastic bags Phosphoric acid to attain pH < 4.1

HP Treatment Equipment

High pressure – long time HP press–EPSI 689 MPa – 30 min Operated at 21ºC Storage

Refrigeration (5ºC)

Shelf-life Color changes - After 60 days

1998: Food Research International 31: 549

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Technical Data for High Pressure Treatment of GUACAMOLE

Product HP treatment Guacamole High pressure – Avocado short time cycles Sodium chloride (1.5% w/w) 4 cycles Citric acid to attain pH 4.3 689 MPa Dried onion (1% w/w) 5 min

Equipment Storage HP press–EPSI Refrigeration (5ºC) Operated at 21ºC

Processing Shelf-life In-container Color changes 100-g plastic bags After 20 days

2000: Innovative Food Science &Emerging Technologies 1: 69

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Technical Data for High Pressure Treatment of BANANA PUREE

Product HP treatment Banana puree High pressure – short time 5-7 min vapor blanching 689 MPa Sucrose to attain a w 0.97 10 min Phosphoric acid to attain pH 3.4

Equipment Storage HP press–EPSI Ambient (25ºC) Operated at 21ºC

Processing Shelf-life In-container Color changes

100-g plastic bags After 7 days

1999: Journal of Food Science 64: 42

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Banana Banana

Puree Puree

Day 0 Day 0

Control 517 MPa 689 MPa Blanching time

7 min

5 min

3 min

1 min

0 min

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Banana Banana

Puree Puree

Day 3 Day 3

Control 517 MPa 689 MPa Blanching time

7 min

5 min

3 min

1 min

0 min

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What can a High Pressure Processor do? Processing of foods using multiple high pressure

pulses and achieving an end temperature above 105°C under pressure produces sterility with minimal impact on flavor, texture, and color

2000: Food Technology 54(11): 67

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High Pressure Lethality Chart

2000: Food Technology 54(11): 67

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Time–temperature integrals of a conventional retort process and an adiabatic high-pressure sterilization process

2003: Food Technology 57(3):37

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Time–temperature integrals of a conventional retort process and an adiabatic high-pressure sterilization process

2004: Trends in Food science & Technology 15:79

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2000: Food Technology 54(11): 67

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What can a High Pressure Processor do?

Egg Gelation Left: Boiled

Right: 700 MPa (20°C, 10min)

Thawing of ice Left: 5°C, 3min

Right: 200 MPa (5°C, 3min)

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Phase Transitions of Water

Sub-zero storage without freezing

Pressure-assisted freezing

Pressure-assisted thawing

Pressure-shift freezing Pressure-induced

thawing Freezing above 0°C … … …

1998: Food Technology 52(9): 42

Page 60: Aplicación de Altas Presiones en la Conservación de ... y... · aplicada para que tu trabajo incremente las bendiciones ... debe siempre formar parte del interés primordial de

Potatoes

1998: Food Technology 52(9): 42

1 2 3

1: Untreated

2: Freeze - Thaw - Cycle at 320 MPa (directly after treatment)

3: Frozen at 320 MPa, Decompressed, Thawed at 0.1 MPa (after 1 h)

Samples: Potato (d: 12.5 mm, l: 40.0 mm )

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Commercial High-Pressure Fruit Products Marketed in Japan

Fruit Nissan Fine Food Rice Texture enhanced Hypoallergenic pre-cooked Echigo-Seika Raw sake Chiyono-Sono Brewery

Jams & Toppings Meidi-ya Juices Pokka Wakayama Mikan Juice

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Kobe Steel Ltd. High Pressure

– Isostatic Pressing • Hot (HIP) • Cold (CIP)

Ultra-High Pressure – Synthesis

• Diamond – 493 GPa and

1500°C • Cubic Boron Nitride

www.kobelco.co.jp

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Kobe Steel Ltd. Hot Isostatic Pressing

– Sintered Hard Alloys – Ceramics – Super Alloys

• High pressure – over 98 MPa

• High temperature – over 1000°C – gas like argon

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Kobe Steel Ltd. Cold Isostatic Pressing

– Wet Bag

• Ceramics • Powder metallurgy • Food Processing

– Dry Bag • Ceramics • Powder metallurgy

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Mitsubishi Heavy Industries Ltd. High Pressure

– Isostatic Pressing • Hot (HIP) • Cold (CIP)

High Temperature High Pressure Lithospheric Testing Systems

www.mhi.co.jp

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Mitsubishi Heavy Industries Ltd. High Pressure Food

Processing Systems

– Test system : MFP-7000 – Pressure : 686 MPa

• rise in 90 s – Temperature : -20 to

80°C – Ease of cycle control

• Automatic

Pressurization Holding Depressurization

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Commercial Products Treated with Kobelco and Mitsubishi Equipment

Jams Fruit-juice drinks Anti-freezing fruit Packed rice Others

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ACB Pressure Systems

HYPERBAR – Pascalization – Cold Pasteurization

• 300 to 800 MPa • 1 to 30 minutes • Water is used as a

pressurization fluid

www.acb-ps.com

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Commercial Products Treated with HYPERBAR

ULTI / PAMPRYL (Groupe PERNOD-RICARD)

France

freshly squeezed fruit juice fresh pressed

ESPUÑA Spain sliced cooked ham “tapas”

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“Tapas” Chorizos Hot Chorizo White Catalan Butifarra Sausage. Brochette Marinated with Pepper Brochettes Marinated with Curry Brochettes Marinated with Fines

Herbs Chicken Brochettes Marinated

with Lemon Turkey Brochettes Marinated with

Paprika. Spanish Black Pudding with

Onion Spanish Black Pudding with Rice

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“Tapas”

Presentation: Attractive boxed presentation Vacuum-packed in plastic Transparent thermoformed package Plastic package suitable for microwave oven use Package of 12 pieces Packaging weight: 80 g (exact weight) Box weight: (in kg) 0.80 (boxes of 10 packages) Storage instructions: Store between 0°C and 5°C Shelf life: 60 days

Product characteristics: High-pressure pasteurised

product (H.P.P.): freshness guaranteed up to consumption

Easy to prepare: 1 minute in the microwave oven. Or quick heating with frying pan or grill

A product ideal for snack consumption or, as an accompaniment or as a delightful caprice

Made with pork meat only

Traditional mincing

Traditional mild flavour

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HYPERBAR Processing

Batch – Solid or liquid

packed products – Packaging must be

sealed and flexible – Plastic bottles

• PET or HDPG

– Pouches or Trays • sealed by a flexible

film

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ESPUÑA HYPERBAR Processing

Since November 1998 Cooked Sliced Ham 600 kg/h Vacuum Packed

– Polyetylene pouches

Horizontal Plant – 450 MPa 10 min

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ESPUÑA HYPERBAR Processing

Organoleptic properties of “just sliced” ham are preserved

Reduced maturation, raw sliced packed ham in Japan – Reduced salt content – enhanced water retention

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HYPERBAR Processing

Continuous – Liquid products

treated in bulk – Injected directly

inside the high-pressure vessel, then compressed by a piston

– After treatment, the liquid must be aseptically inserted into its final package

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Testing and Pilot Renting

HYPERBAR Pilot for packed products – Pressure : 650 MPa – Volume : 3 L – Diameter : 120 mm – Temperature : -20 to 80°C

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HYPERBAR Testing and Pilot Renting

Pilot Semi-Continuous – liquid products – 650 MPa, 5 L

Batch 50 L – packed foods

Mobile Pilot – great scale testing – market studies – seasonal products – 500 MPa, 50 L – -20 to 80 °C

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Avure Technologies receives

2002 IFT Industrial Achievement Award for

Fresher Under Pressure® Food Technology

www.avure.com

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LAB

PILOT

PRODUCTION

$200,000+

$800,000+

$80,000 $20,000

$1,800,000+

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Waterjet Cutting

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QUINTUS High Pressure Technology

ASEA Metallurgy ABB Metallurgy ABB Pressure Systems Flow Pressure Systems

– 1999

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Equipment for Commercial Processing Pre-Packaged In-line

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www.fresherizedfoods.com

Avomex Guacamole & Salsas

– USA • Keller, Texas

– MEXICO • Sabinas, Cohauila

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Avomex,Inc. Qty Item Price 1 Avoclassic Guacamole #10504-7 $6.00 1 Avoclassic Chunky Salsa #10572-6 $5.00 1 Avoclassic Guaca Salsa #10542-9 $5.00 1 Avoclassic Avocado #10582-5 $5.00 Amount $21.00 Shipping, tax, and handling costs will be calculated upon checkout

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Fresherized™

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Orchard House (UK)

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Oyster High Pressure Processing

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Oyster High Pressure Processing

Motivatit – Houma, LA

Nisbet Oyster Co. – Willapa Bay, WA

Joey Oysters – Amite, LA

OYSA – Burton, Australia

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Motivatit Seafoods Awards 2001 National Fisheries Institute's

FINesse award for Seafood Industry Advancement – panel of industry experts

Ernest A. Voisin named SeaFood

Business magazine’s 2001 People of the Year

Gold Band Oysters were the best tasting fresh raw oyster in 2002, 2003 & 2004 – American Culinary Institute

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Meat Products Hormel Foods

– Bread Ready Sliced Meats • True Taste™ Technology

Perdue Chicken

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Testing AVURE “fresher under pressure”

Juices Minute Maid (US) Odwalla (US) Jumex (Mexico) Ortogel (Italy) Fruit Products Danone (France) Maui Pineapple (US)

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Other Companies

UHDE HIGH PRESSURE TECHNOLOGIES – www.uhde-hpt.com

NC HYPERBARIC

– www.nchyperbaric.com

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Pressure Related Treatments

High Pressure Throttling – Homogenization

Hydrodynamic Pressure (HDP) – Explosion generated shockwaves

High pressure carbon dioxide (HPCD) – CO2 under mild pressure

Manothermosonication (MTS) – Pressure-Temperature-Ultrasound

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Stansted Fluid Power Ltd. High Pressure

Homogenization – Pressures to 270 MPa – Continuous – Independent Control

• Flow • Pressure • Temperature

– Easy to Clean – Easy to Scale up

www.sfp.uk.com

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High Pressure Homogenization

University of Georgia Orange Juice Skim Milk Honey Pectin-Casein

Dispersions

High Pressure Throttling

Up to 350 MPa 1.5 L / min

1997: Journal of Dairy Science 80(9):1941

1999: Food Technology 53(4):86

2000: Milchwissenschaft Milk Science International 55(1):67

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Perspective

Predicting the future?

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Perspective

Real Paradigm Shifts !

1968 1982

1958 IBM 728 18,000 lb

300 Meg memory @ 650 Hz

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Perspective

New Technologies bring new problems

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Perspective

No single process will allow high-quality

production of every food product while

ensuring safety

– set of limitations and advantages

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Perspective

Development of less costly equipments

– Improved • output • automation • temperature control • cleaning facilities • resistance to strain and corrosion

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Perspective

The unique physical and sensory properties of

food processed by emerging technologies

– New challenges for food product development

Identification of commercially feasible

applications

– Most difficult of the challenges for emerging

technologies

– Dependent on the development of multidisciplinary

coordinated programs

• facilitate successful development in a shorter period of time

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Perspective

A consortium of researchers is studying the

feasibility of producing high-quality, shelf-

stable, low-acid foods using high pressure

processing

– industry, government, and academia

Goal: submitting a process filing to the US

Food and Drug Administration (FDA)

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Perspective Like thermal processing, emerging technologies

will be used commercially before they are

completely understood scientifically

– Research is still being conducted on thermal processing

The first generation of commercial high-pressure-

processed products may be shelf stable, but

optionally could be distributed under refrigeration

as Extended Shelf Life (ESL) products

– novel, minimally processed, convenient food items with

fresh-like attributes and natural-looking colors

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Perspective

Development of validation criteria for safe

processing of shelf-stable foods will evolve

as experience is gained by the first

generation of products

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Perspective

There is a need for a consistent approach for

establishing equivalency of pressure

processes

– The use of food safety objectives and

performance criteria provide the basis for

assessing equivalency

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Perspective Emerging technologies and hurdle technology

– Synergistic combinations of preservation factors

• Food quality and stability

– Stability studies

• Identify the main degradation mode during storage

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Perspective

Resistance of selected deteriorative enzymes

– Combination of technologies

• response of selected enzymes

– Storage dependent changes

• after processing

– Shelf life limiting factors need to be determined

• treated foods

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Perspective

Experimental prototype for in situ, real time measurements of processing effects on food model systems.

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Perspective

Combined Treatments – PEF & HHP

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

log Inactivation [-]

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Pulse Energy [kJ/kg]

control

5 s

5 min

10 min

Pressure HoldingTime

200 MPa

PEF

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¡Muchas gracias!

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¡Bienvenid@s a nuestra

comunidad de aprendizaje!

Lila M. Smith

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Preguntas, Sugerencias, Comentarios

[email protected]

Centro para la Educación de las Ciencias, Ingenierías y Tecnologías

Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental

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José Agustín Arrieta