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Tecnologias emergentes
- 1. PROCESOS COMBINADOS DE CONSERVACIÓN: Una estrategia para la implantación de tecnologías emergentes en la industria alimentaria Javier Raso Food Technology University of Zaragoza jraso@unizar.es
- 2. TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA o Aplicaciones o Limitaciones PROCESOS COMBINADOS DE CONSERVACIÓN: FUNDAMENTOS PROCESOS COMBINADOS CON TECNOLOGÍAS EMERGENTES oAltas Presiones Hidrostáticas oPulsos Eléctricos de Alto Voltaje CONCLUSIONES PROCESOS COMBINADOS DE CONSERVACIÓN: Una estrategia para la implantación de tecnologías emergentes en la industria alimentaria
- 3. •Elevada calidad sensorial y nutritiva •Más adecuados a sus nuevos hábitos •Frescos •Naturales •Saludables •Seguros Demandas de los consumidores que influyen en el desarrollo de tecnologías emergentes de procesado
- 4. • Garantizar la estabilidad y seguridad de los alimentos mediante la inactivación enzimática y microbiana • Mantener las características nutritivas y sensoriales • No residuos ni generación de sustancias tóxicas • Barato y fácil de aplicar • No objeciones de los consumidores ni de los legisladores Buscando el “Método Ideal” de Conservación de los Alimentos
- 5. Desnaturalización protéica Pardeamiento no enzimático Pérdida de vitaminas Pérdida de componetes aromáticos
- 6. Reducción costes energéticos Mejora calidad de los alimentos Nuevos productos Tecnologías no-térmicas de conservación de los alimentos Irradiación (IR) Luz Ultravioleta (UV) Altas Presiones Hidrostáticas(HHP) Ultrasonidos (US) Pulsos Eléctricos Alto Voltaje (PEF)
- 7. Algunos agentes de alteración de los alimentos son bastante resistentes a estas tecnologías •Esporos bacterianos •Enzimas Tecnologías no-térmicas de conservación de los alimentos Tratamientos necesarios para garantizar la estabilidad y seguridad de los alimentos son demasiado intensos •No pueden aplicarse a escala industrial •Pueden modificar las propiedades de los alimentos
- 8. • Aplicación de diferentes métodos de conservación con objeto de reducir su intensidad, manteniendo o mejorar el efecto conservador obtenido y evitando los efectos adversos sobre las propiedades de los alimentos Sucesivamente (Pasterización de la leche) Simultáneamente (Altas presiones y calor) Simultánea y sucesivamente (Acidificación de conservas vegetales) Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados
- 10. Métodos de conservación Respuesta homeostática Reducción de la actividad microbiana Inactivación de microorganismos - Bajas temperaturas: Refrigeración Congelación - Calor - Descenso de la aw - Fermentación/acidificación - Conservantes químicos - Atmósferas modificadas Síntesis de solutos compatibles Eliminación de protones Síntesis de de proteínas del choque ácido Síntesis de ácidos grasos insaturados Síntesis de proteínas Síntesis de solutos compatibles Síntesis de de proteínas del choque térmico Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados Homeostasis microbiana
- 11. Alteracion en el ADN Inactivación enzimas metabólicos Agregación Proteíca Destrucción membrana Alteración en los ribosomas Modifición permeabilidad membrana Modificaciones estructurales Disfunciones fisiológicas Altas Presiones Ultrasonidos Pulsos eléctricos Irradiation Homogeneización Altas Presiones Tecnologías no-térmicas de conservación de los alimentos Mecanismo de acción
- 12. Medio no selectivo Medio selectivo 106 105 103 104 Tiempo supervivientes Celulas vivas Se multiplican en medios de cultivo selectivos y no selectivos Celulas dañadas Se multiplican en medios de cultivo no selectivos pero no en medios selectivos Celulas muertas No se multiplican en medios de cultivo selectivos y no selectivos Tecnologías no-térmicas de conservación de los alimentos Daño subletal
- 13. Efecto aditivo Efecto sinérgico Efecto antagónico Efecto conservante Tratamiento individual Tratamiento individual Tratamiento combinado Tratamiento individual Tratamiento combinado Tratamiento individual Tratamiento combinado Tratamiento individual Tratamiento individual Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados
- 14. • Mejor conocimiento de los mecanismos de acción de los métodos de conservación • Desarrollo experimentado por la microbiología predictiva • Posibilidades que ofrece la conservación de los alimentos por procesos combinados para superar algunas de las limitaciones que presentan las tecnologías emergentes de conservación Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados
- 15. E. coli stationary phase 200 MPa 8 min Fluorescent dye: Fluorescein isothiocyanate (FICT) Protein staining Mañas and Mackey, 2004, AEM, 70: 1545. Fluorescent dye: 4´,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) DNA staining Protein aggregation DNA alterations E. coli stationary phase 200 MPa 8 min Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados Mecanismos de acción
- 16. • Mejor conocimiento de los mecanismos de acción de los métodos de conservación • Desarrollo experimentado por la microbiología predictiva • Posibilidades que ofrece la conservación de los alimentos por procesos combinados para superar algunas de las limitaciones que presentan las tecnologías emergentes de conservación Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados
- 17. Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados Microbiología Predictiva pH Logcyclesofinactivation TemperatureTemperature pHpH Logcyclesofinactivation DESIGN-EXPERT Plot Response 1 X = A: ph Y = B: T Actual Factor C: nisina = 200.00 -0 .2 3 5 5 2 3 0 .8 6 3 5 1 6 1 .9 6 2 5 5 3 .0 6 1 5 9 4 .1 6 0 6 3 Response1 3 .5 0 4 .3 8 5 .2 5 6 .1 3 7 .0 0 4 .0 0 1 5 .5 0 2 7 .0 0 3 8 .5 0 5 0 .0 0 A : p h B : T DESIGN-EXPERT Plot Response 1 X = A: ph Y = B: T Actual Factor C: nisina = 100.00 0 .4 0 2 2 0 3 1 .2 8 9 0 4 2 .1 7 5 8 9 3 .0 6 2 7 3 3 .9 4 9 5 7 Response1 3 .5 0 4 .3 8 5 .2 5 6 .1 3 7 .0 0 4 .0 0 1 5 .5 0 2 7 .0 0 3 8 .5 0 5 0 .0 0 A : p h B : T Logcyclesofinactivation pH Temperature -EXPERT Plot se 1 h actor a = 0.00 -0 .6 1 2 4 1 5 0 .3 9 8 5 0 4 1 .4 0 9 4 2 2 .4 2 0 3 4 3 .4 3 1 2 6 Response1 3 .5 0 4 .3 8 5 .2 5 6 .1 3 7 .0 0 4 .0 0 1 5 .5 0 2 7 .0 0 3 8 .5 0 5 0 .0 0 A : p h B : T 0 nisina 100 ppm nisina 200 ppm nisina Logcyclesofinactivation pH Temperature Logcyclesofinactivation pH Temperature Inactivación de L. monocytogenes 5672 por PEF a distintas temperaturas en presencia de nisina
- 18. • Mejor conocimiento de los mecanismos de acción de los métodos de conservación • Desarrollo experimentado por la microbiología predictiva • Posibilidades que ofrece la conservación de los alimentos por procesos combinados para superar algunas de las limitaciones que presentan las tecnologías emergentes de conservación Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados
- 19. Conservación de los Alimentos por Procesos Combinados Altas Presiones Pulsos Eléctricos Ultrasonidos Irradiación Temperaturas Moderadas Refrigeración Atmósferas modificadas Acidificación Antimicrobianos Irradiación Descenso aw Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Sucesivamente Sucesivamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Sucesivamente Simultáneamente Simultáneamente Simultáneamente Simultáneamente Sucesivamente Sucesivamente Altas Presiones Simultáneamente Sucesivamente
- 20. MPa 0,03 0.1 100 1000 36000 •Aplicación al alimento de presiones hidrostáticas comprendidas en el rango de 100 a 1000 MPa durante un periodo de tiempo (1-30 min) Objetivos •Incrementar el efecto inactivador de las altas presiones •Conseguir el mismo efecto inactivador con una menor presión o con un menor tiempo de tratamiento •Inhibir o retrasar la multiplicación de los microorganismos supervivientes al tratamiento Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas
- 21. Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas Altas presiones hidrostáticas y calor Temperatura (ºC) 10 20 40 50 6030 1 4 2 3 5 6Logsupervivientes
- 22. Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas Altas presiones hidrostáticas y calor Microorganismo Medio Presión ( MPa) Temperatura (ºC) Tiempo (min) Serratia liquefaciens a 0,l % peptona 207 50 5 Leuconostocmesenteroides a 0,l % peptona 138 50 5 Lactobacillus sake a 0,l % peptona 345 50 15 Escherichia coli O157:H7 a 0,l % peptona 207 50 10 Salmonella typhimurium a 0,l % peptona 207 50 5 Listeria monocytogenes a 0,l % peptona 207 50 5 Staphylococcusaureus b Leche UHT 500 50 15 Escherichia coli O157:H7 b Carne de pollo 400 50 15 Combinaciones de altas presiones hidrostáticas y calor que permiten obtener una inactivación de ≥ 6 ciclos logarítmicos
- 23. Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas Altas presiones hidrostáticas y calor 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Cicloslogarítmicosdeinactivación 345 MPa, 5 min, 25ºC Cicloslogarítmicosdeinactivación 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 345 MPa, 5 min, 50ºC •(Alpas et al. 1999. Appl. Environ. Microbiol.),
- 24. Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas Altas presiones hidrostáticas y calor Esporo latente Protoplasto Mbr plamática y pared celular Cortex Mbr externas llll8 Germinación l ll l l l l l l l l l l l l 1x100 1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x106 1x107 1x108 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Tiempo (min) lll l l l l l l l l l l l l 1x100 1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x106 1x107 1x10 0 5 10 15 20 25 30 Tiempo (min) Bacillus cereus 690 MPa Inactivación l l l 60 ºC 30 ºC 20 ºC Esporossingerminar(UFC/ml) Supervivientes(UFC/ml) Germinación Inactivación Esporo germinado Esporo inactivado
- 25. •Lisozima • Nisina Peptidoglicano de la pared celular Membrana citoplasmática Gram + Membrana citoplasmática Pared celular Gram - Pared celular Membrana citoplasmática Membrana externa Altas presiones hidrostáticas y antimicrobianos Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas
- 26. Altas presiones hidrostáticas y antimicrobianos Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas Pared celular Membrana citoplasmática Membrana externa NisinaLisozima 0 1 2 3 4 5 6 7 AP AP+N AP+N+LAP + L Escherichia coli AP: 270 MPa, 15 min, 25 °C N: Nisina (100 UI/ml) L: Lisozima (10 µg/ml)
- 27. Altas presiones hidrostáticas y bajas temperaturas Combinaciones con Altas Presiones Hidrostáticas Objetivos •Inhibir la actividad enzimática y el crecimiento de los microorganismos supervivientes al tratamiento •Mantener las propiedades sensoriales del alimento tras el tratamiento
- 28. Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje •Aplicación de pulsos de alto voltaje (kV) y corta duración (µs) a un material biológico colocado entre dos electrodos Reversible Irreversible - Transformación de células - Introducción de sondas moleculares - Introducción de medicamentos - Inactivación microbiana - Mejora transferencia de masa Electroporación citoplasma MedioExterno Membrana citoplasmátia
- 29. -Captación colorantes fluorescentes -Salida de material intracelular (260-280 nm) E Gram + bacteria Cytoplasmatic membrane Cell wall Outer membrane Gram - bacteria -Pérdida de la capacidad de plasmólisis en medio hipertónico -Liberación de ATP Mecanismo de inactivación Electroporación Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 30. Membrana citoplasmática Cortex Esporo bacteriano Membrana externa Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje Microorganismo vivo Microorganismo inactivado Microorganismo dañado Microorganismo vivo reparación Microorganismo inactivado No reparación Microorganismo inactivado REVERSIBLE PERMANENTE
- 31. Pasteurización por PEF: definición Tratamiento de pulsos electricos de alto voltaje que aplicado a un alimento reduce las células vegetativas de los microroganismos patógenos hasta un nivel que no presenta riesgo para la salud del consumidor durante la distribución y almacenamiento del producto Identificar los microorganismos patógenos más resistentes a los PEF Establecer las condiciones de tratamiento por PEF que reduzcan la población de los microorganimos patógenos a un nivel que no supongan un riesgo para la salud Requerimientos Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 32. •Especie y cepa •Tamaño y morfología •Condiciones de crecimiento •Fase de crecimiento •Temperatura de crecimiento •Medio de crecimiento •Condiciones de recuperación •Medio de recuperación •Temperatura de recuperación •Tiempo de recuperación •Intensidad campo eléctrico •Tiempo de tratamiento •Temperatura •Forma del pulso •Frecuencia •Energía específica •pH •Actividad de agua •Composición •Conductividad Parámetros de procesado Características del medio de tratamiento Características de los microorganismos Factores que afectan la inactivación microbiana por PEF Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 33. O157:H7 O 157:H 7 878 878 5672 4459 4459 BJ4L1 BJ4 471 W3110 BJ4L1 BJ4 471 W3110 4590 880 443 722 4590 880443 722 4032 932 5366 4031 976 4465 4466 4630 976 4465 4466 4630 5672 4032 932 4031 5366 5 4 3 2 1 0 pH 4,0 pH7,0 30 kV/cm, 100 µs E. coli O157:H7 L. monocytogenes 5672 Salmonella Typhimurium 878 S. aureus 4459 Identificación de las cepas más resistentes a los PEF Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 34. Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje 0 500 100015002000 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 500 1000 1500 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 S. typhimurium S. cerevisiae 11034E. faecium L. monocytogenes S. cerevisiae 1172 S. enteritidis S. senftenberg Y. enterocoliticaE. coli 0 500 100015002000 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 500 100015002000 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 500 1000 1500 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 500 100015002000 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 250 500 750 1000 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 500 100015002000 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 0 500 100015002000 -8 -6 -4 -2 0 Time (µs) Log10Nt/N0 2.5 kV/cm (), 4 kV/cm (), 5.5 kV/cm (), 9 kV/cm (), 12 kV/cm (), 15 kV/cm (▲), 19 kV/cm (), 22 kV/cm (), 25 kV/cm () y 28 kV/cm () Identificación de las cepas más resistentes a los PEF
- 35. Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje •Establecer las condiciones de tratamiento que permitan obtener alimentos seguros y estables. •Establecer los requerimientos de los equipos para poder aplicar los tratamientos a escala comercial •Realizar análisis de costes Y = α X1 + β X2+ δ X3 + λ X4 +.......... Modelos Predictivos
- 36. 5 4 3 2 1 0 Intensida de campo eléctrico (kV/cm) 15 20 25 30 35 pH 3,5 5 4 3 2 1 0 Intensidad de campo eléctrico (kV/cm) 15 20 25 30 35 Cicloslogarítmicosinactivación pH 4,5 E. coli O157:H7 L. monocytogenes 5672 Salmonella Typhimurium 878 S. aureus 4459 100 µs; tª 20-30ºC 5 4 3 2 1 0 Intensidad de campo eléctrico (kV/cm) 15 20 25 30 35 pH 7,05 4 3 2 1 0 Intensidad de campo eléctrico (kV/cm) 15 20 25 30 35 Cicloslogarítmicosinactivación pH 5,5 CicloslogarítmicosinactivaciónCicloslogarítmicosinactivación Definición de las condiciones de tratamiento Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 37. Logcyclesofinactivation 5 4 3 2 1 0 Electric Field Strength (kV/cm) 15 20 25 30 35 pH 3,5 5 4 3 2 1 0 Electric Field Strength (kV/cm) 15 20 25 30 35 Cicloslogarítmicosinactivación pH 4,5 E. coli O157:H7 L. monocytogenes 5672 Salmonella Typhimurium 878 S. aureus 4459 100 µs; tª 20-30ºC 5 4 3 2 1 0 Electric Field Strenght (kV/cm) 15 20 25 30 35 pH 7,05 4 3 2 1 0 Electric Field Strength (kV/cm) 15 20 25 30 35 Logcyclesofinactivation Cicloslogarítmicosinactivación pH 5,5 Applicación de PEF a temperaturas moderadas Combinación de PEF con antimicrobianos Definición de las condiciones de tratamiento Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 38. pH 3.5 0 25 50 75 100 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Time (µs) Log10cyclesinactivation 20ºC 30ºC 35ºC 45ºC 40ºC Apple juice 0 25 50 75 100 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Time (µs) Log10cyclesinactivation 20ºC 30ºC 35ºC 45ºC 40ºC Escherichia coli O157:H7 30 kV/cm Combinaciones con temperaturas moderadas Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje Tiempo (µs) Tiempo (µs) Cicloslogarítmicosinactivación Cicloslogarítmicosinactivación Zumo de manzana
- 39. 30 kV/cm, 100 μs PEF: 30 kV/cm, 100 µs Nisina: 100 ppm Temperatura: 4-50ºC Nisina Combinaciones con antimicrobianos Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 40. PEF: 30 kV/cm, 100 µs LAE: 50 ppm Temperatura: 4-50ºC Etil lauroil arginato (LAE) Combinaciones con antimicrobianos Combinaciones con Pulsos Electricos de Alto Voltaje
- 41. Cámara de tratamiento estática Intensidad de campo eléctrico: 20, 25, 30 kV/cm Tiempo de tratamiento: 0-140 µs Anchura de pulso: 3 μs Energía específica: 80-180 KJ/kg Temperatura de entrada: 20, 30, 40ºC Temperatura de salida: 50, 55, 60ºC Tiempo de residencia: 0.8 sec E. coli O157:H7 en zumo de naranja Tratamiento en flujo continuo Combinaciones con Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje
- 42. 20 kV/cm 30 kV/cm 25 kV/cm 0 50 100 150 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 56ºC (179 kJ/kg ) 54 ºC (180 kJ/kg) 55ºC (163 kJ/kg) Tiempo de tratamiento (µs) 56ºC (131kJ/kg) 0 50 100 150 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 55 ºC (134 kJ/kg) 55ºC (126 kJ/kg) Tiempo de tratamiento (µs) 0 50 100 150 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 54ºC (90 kJ/kg) 56ºC (94 kJ/kg) 55ºC (88 kJ/kg) Tiempo de tratamiento (µs) Tin 20ºC Tin 30ºC Tin 40ºC E. coli O157:H7 en zumo de manzana 0 50 100 150 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 188 kJ/kg 180 kJ/kg170 kJ/kg Cicloslogarítmicosdeinactivación Tiempo de tratamiento (µs) 142 kJ/kg 0 50 100 150 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 130kJ/kg 133 kJ/kg Tiempo de tratamiento (µs) in 0 50 100 150 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 85 kJ/kg 72 kJ/kg 83 kJ/kg Tiempo de tratamiento (µs) Tin 20ºC Tin 30ºC Tin 35ºC E. coli O157:H7 en zumo de manzana + 50 ppm LAE 20 kV/cm 30 kV/cm 25 kV/cm Cicloslogarítmicosdeinactivación Cicloslogarítmicosdeinactivación Cicloslogarítmicosdeinactivación Cicloslogarítmicosdeinactivación Cicloslogarítmicosdeinactivación Tratamiento en flujo continuo Combinaciones con Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje
- 43. 20 22 24 26 28 30 0 20 40 60 80 100 120 20ºC 25ºC 30ºC 35ºC Intensidad de campo eléctrico (kV/cm) Tiempodetratamiento(µs) Intensidad de campo eléctrico (kV/cm) Energíaespecífica(kJ/kg) 5 log10 ciclos de inactivacíón E. coli O157:H7 in zumo de manzana + 50 ppm LAE 30 kV/cm, 20 µs 20 kV/cm, 50 µs 25 kV/cm, 30 µs Optimización Combinaciones con Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje
- 44. 25 kV/cm; Temperatura de entrada 35ºC EC: E. coli O157:H7 ST: Salmonella Typhimurium 878 SA: S. aureus 4459 LM: L. monocytogenes 5672 Zumo de manzana + 50 ppm LAE 25 kV/cm, 30 µs 25 kV/cm, 38 µs EC ST SA LM EC ST SA LM 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Temperatura de salida: 50ºC Temperatura de salida: 55ºC Log10inactivación 25 kV/cm, 50 µs Temperatura de salida: 60ºC Zumo de manzana EC ST SA LM 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Log10inactivación EC ST SA LM 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Log10inactivación 25 kV/cm, 63 µs Temperatura de salida: 65ºC Validación Combinaciones con Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje
- 45. Zumo de manzana Zumo de manzana + LAE Intensidad campo eléctrico Temperatura entrada Tiempo de tratamiento Temperatura de salida Energía específica Tiempo de residencia 0.8 sec 0.8 sec 25 kV/cm 25 kV/cm 35ºC 35ºC 63 µs 38 µs 125 kJ/kg 83 kJ/kg 65ºC 55ºC Combinaciones con Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje Condiciones de tratamiento para pasteurización por PEF
- 46. Combinaciones con Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje
- 47. CONCLUSIONES •Prolongar el tiempo de conservación y la calidad sanitaria de los alimentos refrigerados •Desarrollo de nuevos productos PROCESOS COMBINADOS DE CONSERVACIÓN: Una estrategia para la implantación de tecnologías emergentes en la industria alimentaria
- 48. 1st World Congress on Electroporation and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine and Food and Environmental Technologies September 6-10, 2015 Portoroz, Slovenia ...we will all be there.