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IMPREGNACION A VACIO: FUNDAMENTOS Y
APLICACIONES EN EL DESARROLLO DE ALIMENTOS
FUNCIONALES
Pedro Fito y Noelia BetoretDTA (Departamento de Tecnología de Alimentos)
IAD (Instituto de Ingeniería de Alimentos para el Desarrollo)Universidad Politécnica de Valencia
ESPAÑA
Introducción: El HDM y la VI.
Resumen histórico.
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La aplicación de vacío se aplicó en el pasado para:
Tratamientos a vacío: Primeras referencias 1
La aplicación de vacío se aplicó en el pasado para:• En procesado mínimo de frutas incorporando aditivos
(Del Rio and Muller, 1979; Santerre et al., 1989)• En procesos de deshidratación osmótica (Zozulevich
and D’yachenco, 1969; Hawkes and Flink, 1978). • Eliminación de suero y aire en quesos chedar
(Reinhold et al., 1993).( )
• A principio de los años 90 Barret (Barret et al., 1990) yJaveri (Javeri et al 1991) introducen el término de
Tratamientos a vacío: Primeras referencias 2
Javeri (Javeri et al., 1991) introducen el término devacuum infusion en el área de la ingeniería dealimentos.
• El término sigue utilizándose durante toda la décadade los 90, para hacer referencia a una operación detratamiento a vacío de frutas con solucionesenzimáticas (Robert and Wicker, 1996; Baker andWicker, 1996); la operación facilitaba el pelado def t l (R h d M h i 1994)frutas como la uva (Rouhana and Mannheim, 1994) olos cítricos (Pao et al., 1997).
• La incorporación de calcio en las disoluciones permitíamejorar la firmeza de frutas como los melocotones(Javeri et al., 1991) .
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Sin embargo no se aclaraban las razones del efecto del vacío en los procesos…
• El grupo de Valencia (Fito, 1992 & 1994) explica el efecto delvacío en productos porosos inmersos en un liquido, sometidos a
i d d hid t ió óti ( Goperaciones de deshidratación osmótica (manzanas GrannySmith).
• Las bajas presiones no justificaban los cambios observados enla cinética.
• Los gradientes de presión externa-interna, espontáneos oimpuestos, actuaban como fuerzas impulsoras para producirflujos hidrodinámicos.
• El gas atrapado en los poros se comprime o se expande alg p p p pmismo tiempo que la solución externa entra en los mismos.
• Este fenómeno fue definido como mecanismo hidrodinámico(Hydrodynamic mechanism: HDM) y su aplicación comoimpregnación a vacío (Vacuum Impregnation: VI)
HDM & VI• Es en los años 1990 a 1993 cuando (Mata 1990;
Pastor 1992; Fito et al. 1993), basándose enobservaciones experimentales, explican el efecto dela aplicación de presiones de vacío sobre la cinéticade la operación de deshidratación osmóticade la operación de deshidratación osmótica,describiendo un nuevo mecanismo de transporte: elhidrodinámico (HDM). Además sentaron las bases dela operación de impregnación a vacío (VI) quedescribirán de forma rigurosa en los añosposteriores (Fito, 1992, 1994a; Fito, 1994b; Fito &Pastor, 1994; Fito & Chiralt, 1995; Fito et al., 1996).Posteriormente Saurel Raoult y Rastogi realizanPosteriormente Saurel, Raoult y Rastogi realizanaportaciones importantes en relación a losmecanismos de transferencia de masa implicados enel proceso de deshidratación osmótica conaplicación de vacío (Saurel et al., 1994a; Saurel et al.,1994b; Raoult-Wack & Rios, 1994; Rastogi &Raghavarao, 1996).
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Vacuum Impregnation (or Vacuum Infusion)
• infusion• The act to adding sth to
sth else in order to
• Impregnate• To make a substance
spread through an make it stronger or more successful
• A drink or medicine made by soaking herbs, etc. in hot water
p garea (or volume) so that the area (or volume) is full of the substance (“the pad is impregnated with insecticide”)
• To make a woman orTo make a woman or female animal pregnant
Oxford dictionary, 6th ed. 2000
• En los últimos años los trabajos se hancentrado en:
L d i ió l t bl i i t d l
HDM-VI: desarrollo histórico
– La descripción y el establecimiento de lasbases de nuevas operaciones y/o procesos.
– Estudio de las operaciones y/o procesospropuestos y el análisis del efecto dediferentes variables.
– Análisis del efecto de las nuevas operacionesy/o procesos sobre las propiedades físico-químicas, estructurales y de calidad delproducto final.
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Hitos en el desarrollo histórico
• Descripción de la operación de infusión a vacío y análisisde algunas propiedades físicas de los alimentos enrelación a la aplicación de dicha operaciónrelación a la aplicación de dicha operación.
• Aplicación de la infusión a vacío en el pelado enzimáticode diferentes frutas.
• Efecto de la aplicación de vacío sobre la cinética de laoperación de deshidratación osmótica.
• Fundamentos de la operación de impregnación a vacío.• Mecanismos de transferencia de materia, modelo
matemático y metodología experimental para la operacióny g p p pde impregnación a vacío.
• La impregnación a vacío como operación básica de interésen el procesado de alimentos y en el desarrollo de nuevosproductos: aplicaciones.
• The model of this mechanism predicts the entry of an externalliquid in a porous product when any overpressure is applied in thesystem; nevertheless liquid will be released when the productreturns to normal pressure. The advantage of the HDM action aftera vacuum period in the system lies in the partial gas release
What the HDM & VI are? The model
p y p gthroughout this period while the mechanical equilibrium is beingachieved; the restoring of atmospheric pressure impliescompression only of the residual gas and flow into the pores of theexternal liquid. Therefore, the product remains filled with the liquidphase at normal pressure.
• From the HDM model it is possible to predict the amount of liquidthat can be introduced in a porous food with different aims:modifying the composition, introducing additives, salting, etc., andy g p g git is also possible to evaluate the effectiveness of a vacuumtreatment in expelling internal gas or liquid.
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Etapa 0pe=patmpi=pe+pc
Modelo en una matriz rígida
Operación de Impregnación a Vacío (IV)Operación de Impregnación a Vacío (IV)
•Fracción volumétrica del productoimpregnada por el liquido externo.
(Fito et al.,1992, 1994, 1996)
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −≈⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
RrX ee
1111 εεEtapa 1pe=p1<patm
te=t1
1
2
pppr c+
=1
2
ppR =
•Fracción volumétrica impregnada
Etapa 2Pmo e=p2=patmte=t2pi=pe+pc
VI
pi=pe+pcFracción volumétrica impregnada
en una matriz viscoelástica.
( )1
1
−+−
=r
rXe
γγε
HDM & Fenómenos de transporte de materia
Hipótesis• la energía mecánica acumulada en la matriz del alimento durante el secado por las deformaciones… p• se relaja dando lugar a gradientes de presión que generan flujos del liquido exterior hacia el interior de la estructura.
t’=t-to
Chile, 2003
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Modelo del HDM-VI para estructuras rígidas
4p σYoung Laplace equation
Dpc =Young-Laplace equation
0dtdxx
Dz32p v2
2
=μ
+Δ−c2
1c2v pp
pppx+−+
=
c2
cv pp
px+
=
Kinetics of bulk mass transport
(Fito, 1992; Fito and Pastor, 1994)
)R11()
r11(X ee −ε≈−ε=
1
2
ppR =Mechanical equilibrium
Niveles de impregnación según la presión aplicada
0,91
xv (c, 160) xv (c, 10)xv (r, 160) xv (r, 10)xv (R)
00,10,20,30,40,50,60,70,8
0 200 400 600 800 1000
xv
xv (R)
p (mbar)
Influence of vacuum pressure on the pore volume fractionimpregnated by capillary forces (xv (c)), or by external imposed pressure,considering (xv (r)) and not considering (xv (R)) capillary contribution,for 160 and 10 μm diameters. (Fito,1994; Fito and Chiralt 1999)
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• El modelo HDM se aplicó a productos con
HDM-VI Modelo para estructuras viscoelásticas
• El modelo HDM se aplicó a productos concomportamiento viscoelástico, en los que seacoplan fenómenos de transferencia de materia conotros de deformación relajación (DRP) (Fito andChiralt, 1996; Fito et al., 1996
Equilibrio mecánico:
1rr)X( 1
e −γ+γ−
=ε
Cinética del HDM-VI
)1x1x1(pp ve
2 −−
=Δ−Pressure-Impregnation relationship x1 v−
( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
+−−−−=ro
rror
2ro
2r x1
x1lnxxk)xx(21
Bt
ve
vr x
xx =
Pressure Impregnation relationship
Kinetic equation
Reduced impregnation level
vex11k +=
2
p
12
12
2
reF
)pp(p8B ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−μ=
Equilibrium parameter Impregnation liquid viscosity, operation pressure,and structure characteristics parameter
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Tabla I.
VIn and physical properties VIn and enzymatic peeling VI and osmotic
dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer
VI, processes and new products
1990 (Barret et al., 1990) 1991 (Javeri et al., 1991)
Aplicaciones del HDM-IV
1991 (J ve e ., 99 )1992 (Fito, 1992) 1993 (Wei-Chi & Sastry, 1993) (Shi & Fito, 1993)
(Fito et al., 1993) 1994 (Moreira et al., 1994) (Soffer & Chaim, 1994) (Saurel et al., 1994a) (Fito, 1994a) patent
(Rouhana & Mannheim, 1994) (Saurel et al., 1994b) (Fito, 1994b) (Raoult-Wack & Rios, 1994) (Fito & Pastor, 1994) (Shi & Fito, 1994)
1995 (Fito & Chiralt, 1995) (Shi et al., 1995)
1996 (Baker & Wicker., 1996) (Rastogi & Raghavarao, 1996) (Fito et al., 1996) (Chiralt & Fito, 1996)
1997 (Pao et al., 1997a) (Andres et al., 1997)
(Pao et al., 1997b) (Martinez-Monzo et
al., 1997) (Pretel et al., 1997) (Guamis et al., 1997)
(Castro et al 1997) (Castro et al., 1997)
1998 (Pao & Petracek, 1998) (Del Valle et al.,
1998) (Barat et al., 1998) (Salvatori et al., 1998)
(Martinez-Monzo et
al., 1998a, b) (Sousa et al., 1998) (Nieto et al,. 1998)
1999 (Barat et al., 1999) (Chiralt et al.,
1999a, b) (Martin et al., 1999)
(Salvatori et al.,
1999a, b) (Gonzalez et al., 1999) (Tapia et al., 1999)
VIn and physical properties
VIn and enzymatic peeling
VI and osmotic dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer VI, processes and new products
2000 (Culver et al., 2000) (Escriche et al., 2000) (Martinez-Monzo et al., 2000) (Fito et al., 2000)
Aplicaciones del HDM-IV
( , ) (Fito & Chiralt, 2000) (Pavia et al., 2000a) (Pavia et al., 2000b) (Mastrangelo et al,. 2000)*
2001 (Prakash et al., 2001) (Roa et al., 2001) (Chafer et al., 2001a) (Barat et al., 2001c) (Barat et al., 2001a) (Rodriguez- Barona et al., 2001a) (Rodriguez- Barona et al., 2001b) (Martin et al., 2001a) (Martin et al., 2001b) (Gras et al., 2001) (Fito et al., 2001a) (Andujar et al., 2001) (Barat et al., 2001b)
(Chafer et al 2001b) (Chafer et al., 2001b) (Fito et al., 2001b) (Chiralt et al., 2001a, b) (Fito et al., 2001c) (Fito et al., 2001d) (Andres et al., 2001a) (Martinez-Monzo et al., 2001) (Barat et al., 2001d) (Chafer et al., 2001c, d) (Gonzalez et al., 2001) (Andres et al., 2001b) (Buguenyo et al., 2001) (Fito et al., 2001e)
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Aplicaciones del HDM-IV
VIn and physical properties VIn and enzymatic peeling VI and osmotic
dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer
VI, processes and new products
2002 (Rastogi et al., 2002) (Gras et al., 2002) (Shi et al., 2002) (Gonzalez et al., 2002) (Barat et al., 2002) (Saurel et al., 2002) patent (Mujica-Paz et al., 2002)
2003 (Gras et al., 2003) (Bugueno et al., 2003) (Betoret et al., 2003) (Degraefe et al., 2003) (Mujica-Paz et al., 2003) (Deumier et al., 2003)
REFERENCES ORIGIN vs TIME
25
30
5
10
15
20
25
01990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
DTA America Latina North America Europe-Asia
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new operations or processes proposed
bases of new process proposed
study of process and effect of new process variables
changes in physicochemical properties of final
product (Chiralt et al 1999a)
Aplicaciones del HDM-IV
(Chiralt et al., 1999a)VI (Fito et al., 2001b)
VI and OD (Fito et al., 2001d) Salting by VI (Chiralt et al., 2001a)
Functional foods by VI (Fito et al., 2001c)
Foods
Cryoprotection by VI (Martinez-Monzo et al., 2001) (Fito & Chiralt, 2000) Plant tissues VI (Andres et al., 2001a)
(Gras et al., 2001) VI (Fito et al., 2001a) (Gras et al., 2002)
Vegetables Mineral fortification by VI
(Gras et al., 2003)
Salting by VI (Gonzalez et al., 2001) (Gonzalez et al., 2002) (Andres et al 1997)
Cheese and manchego type (Andres et al., 1997)manchego type
cheese Brining by VI (Chiralt & Fito, 1996) (Guamis et al., 1997)
Curd Brine VI (Chiralt et al., 1999b) (Gonzalez et al., 1999) (Rodriguez- Barona et al., 2001a) Cod salting and desalting by VI (Andres et al., 2001b) (Rodriguez- Barona et al., 2001b)
Tasajo Brine VI (Andujar et al., 2001) Salmon VI smoding (Buguenyo et al., 2001) (Bugueno et al., 2003)
ne operations or bases of ne process st d of process and effect of changes in ph sicochemical
Aplicaciones del HDM-IV
new operations or processes proposed
bases of new process proposed
study of process and effect of new process variables
changes in physicochemical properties of final product
VI (Fito et al., 2000) Candying by VI (Barat et al., 2001d) Fruits
probiotic fortification by VI (Betoret et al., 2003) VI (Salvatori et al., 1998)
(Martin et al., 1999) VI + AD + MW (Fito et al., 2001e) (Martin et al., 2001b)
(Martin et al., 2001a)
(Salvatori et al., 1999a) (Martinez-Monzo et al., 1997) (Salvatori et al., 1999b) (Martinez-Monzo et al., 2000) Vacuum osmotic dehydration
(Barat et al., 2001b) Cryoprotection by VI (Chiralt et al., 2001b) (Martinez-Monzo et al., 1998a)
Apple
VI with HM pectin (Martinez-Monzo et al., 1998b) vacuum osmotic dehydration (Castro et al., 1997)
(Barat et al., 2001a) Pineapple candying by VI
(Barat et al., 2002) Banana VI (Sousa et al., 1998)
Kiwi Vacuum Osmotic
dehydration (Escriche et al., 2000) (Chafer et al., 2001a) (Chafer et al., 2001b)
Orange and mandarin peel VI + OD
(Chafer et al., 2001d) (Chafer et al., 2001c)
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Aplicación del HDM-VI al desarrollo de alimentos frescos funcionales(Functional Foods Development)
INTRODUCCIÓN
MEJORAS EN LAS TÉCNICAS DE CULTIVO O CRÍA
INGENIERÍA GENÉTICA
CAMBIOS BIOLÓGICOS
METODOLOGÍAS
INGENIERÍA DE MATRICES
FORMULACIÓN DE ALIMENTOS
METODOLOGÍAS DISPONIBLES
PARA LA FABRICACIÓN DE ALIMENTOS ENRIQUECIDOS
MATRICESALIMENTOS
CAMBIOS TECNOLÓGICOS
OBTENER PRODUCTOS CUYAS CARACTERÍSTICAS RESPONDAN MÁS ADECUADAMENTE A LAS
EXIGENCIAS DEL PRODUCTOR O CONSUMIDOR
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Mejoras en las técnicas de cultivo o cría.
Potencialidad limitada, pero en algún caso hanpermitido de una forma rápida y relativamentep p ysencilla producir alimentos tradicionales concaracterísticas mejoradas.Ejemplo: Sistema controlado de alimentación depollos (producto Biotene, US patent 5246717, 1993).
contenido mas bajo en colesterol y en grasas saturadas.aumentan su concentración en ácidos grasos Omega-3, envitamina E y en yodo.
La empresa vendió en 1998 mas de 300 millones dehuevos.
INTRODUCCIÓN
La ingeniería de matrices
Es una parte de la Ingeniería de Alimentos que utiliza los conocimientos sobre la composición, estructura y propiedades de la matriz estructural de un alimento para producir y controlar cambios que mejoren alguna de
Es el único procedimiento que permite utilizar la matriz sólida estructural de los alimentos naturales de origen vegetal y animal para,
mediante las modificaciones adecuadas y las técnicas apropiadas, incluir en ellas componentes activos, sin modificar sustancialmente las
características propias de dichos alimentos.
de un alimento para producir y controlar cambios que mejoren alguna de sus propiedades funcionales o sensoriales (Fito et al, JFE 2001)
Formación de estructuras coloidales,
la extrusión,
la fritura,
el horneado,
el hinchado, etc.
Técnicas combinadas de deshidratación : (deshidratación osmótica, secado a vacío, aplicación de microondas, radiación infrarroja, etc),
La Impregnación a Vacío,
El recubrimiento con películas comestibles
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Seta de cardo(Pleorotus ostreatus).ostreatus).
Alimentos estructurados
UTILIZACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE INGENIERÍA DE MATRICES EN LA OBTENCIÓN DE ALIMENTOS FUNCIONALES
INTRODUCCIÓN
..
TÉCNICAS DE INGENIERÍA DE MATRICES
(Impregnación a Vacío, Deshidratación osmótica, Recubrimiento con films...)
1º Técnicas que permiten la incorporación del elemento deseado.
Componentes funcionales:-minerales,
- probióticos
Nuevos alimentos funcionales
2º Técnicas que generan productos estructurados estables y les imparten características deseables
-- componentes liposolubles
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MODELO MATEMÁTICO DE LA OPERACIÓN Y ENSAYOS
PRELIMINARES
Referencias bibliográficas o resultados experimentales:X: fracción volumétrica de muestra impregnada con líquidoγ1 la deformación de la muestra durante la etapa de vacío en un experimento de IV
FRUTA U HORTALIZA QUESE DESEA ENRIQUECER
ELEMENTO MINERAL QUE SE DESEA APORTAR
Información comercial:Sal mineral; solubilidadRiqueza mineralC: concentración del elemento mineral en la disolución de impregnación
RESULTADOS I. Modelo matemático
γ: deformación volumétrica de la muestraρS (kg/m3): densidad de la fruta u hortaliza fresca
ECUACIÓN DE MODELO DEL HDM ACTUANDO EN UN PROCESO DE IV
Modelo rígido:
Modelo del HDM acoplado con fenómenosde deformación-relajación:
)r11(X e −ε=
1e r)X()1r( γ+γ−=−ε
CANTIDAD DE MINERAL INCORPORADO (kg mineral/kg
producto enriquecido)
pf
ml
pf
mlml
piX1
Xxx
ρρ
+
ρρ
=
CANTIDAD DE FRUTA U HORTALIZA QUEGRUPO DE POBLACIÓN AL QUE SE VA A DIRIGIR EL PRODUCTO
Referencias bibliográficas:CDR: Cantidad diaria recomendada del elemento mineral seleccionado
CANTIDAD DE FRUTA U HORTALIZA QUE APORTA EL PORCENTAJE DE LA CDR DESEADO
DEL ELEMENTO MINERAL SELECCIONADO(g de fruta u hortaliza enriquecida)
pipi x
CDRm =
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Porosidad mínima requerida para desarrollar productos enriquecidos con propiedades específicas
RESULTADOS I. Modelo matemático
Frutas y hortalizas con posibilidades de ser enriquecidas
175,9 6,4
0,79,1
2,2 3,7 3,4 2 6
21 25
64,1
4,313,716,9
35,9
16,1
0102030405060
zana
ango
fresa kiw
ico
tón
oque
piña
pera
ruel
am
elón
ranj
api
elnj
ena
acha
horia
bací
npi
ñón
ta d
e
poro
sida
d ef
icaz
(%)
4,66%
man m
a f
mel
ocal
baric
o
ci mpi
el n
a
bere
nre
mol
aza
nah
cala
bch
amp
set
No es factible el enriquecimiento en calcio en las cantidades especificadasutilizando las sales comerciales indicadas.
UTILIZAR PRODUCTOS COMERCIALES CON MAYOR SOLUBILIDAD
Tejido de berenjena(Solanum melongena,
var. Soraya),Fresca
Impregnada
X =15
e =52
γ =-37
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