Aplicación Altas presiones hidrostaticas en la Industria Alimentaria

Aplicación de Altas Presiones Hidrostáticas
en la Industria Alimentaria
1. Introducción
2. Efecto de las APH
3. Aplicaciones industriales
4. Conclusiones
Aplicación de Altas Presiones Hidrostáticas en la Industria Alimentaria.
Pradas Baena, I. y Moreno Rojas, J.M. Consejería de Agricultura, Pesca y Desarrollo
Rural, Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera. Córdoba, 2016. 1-18 p.
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Aplicación de Altas Presiones Hidrostáticas en la Industria Alimentaria
© Edita JUNTA DE ANDALUCÍA. Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera.
Consejería de Agricultura, Pesca y Desarrollo Rural.
Córdoba, Marzo 2016.
Autoría:
Inmaculada Pradas Baena1
José Manuel Moreno Rojas1
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IFAPA, Centro Alameda del Obispo
Aplicación de Altas Presiones Hidrostáticas en la Industria Alimentaria
1. Introducción
En el pasado, el consumidor demandaba productos seguros microbiológicamente. Hoy en día,
el consumidor no solo busca alimentos seguros sino que tengan atributos de gran similitud a
los alimentos frescos, con la menor cantidad de aditivos posibles y que tengan propiedades
sensoriales y nutricionales de alta calidad.
Por este motivo se ha llevado al desarrollo de procesos alternativos para el procesado de
alimentos. Estas alternativas son presentadas como tecnologías emergentes no térmicas, de
las cuales la más desarrollada y difundida hasta la fecha es la de Altas Presiones Hidrostáticas
(APH).
Las APH son una tecnología emergente de gran interés en la industria alimentaria debido a
que es efectiva en la conservación de alimentos. Esta tecnología destaca sobre los procesos
térmicos porque dichos procesos causan inevitablemente una pérdida de nutrientes y sabores
en los alimentos. Utilizando el tratamiento de APH se obtienen productos cuyas vitaminas,
sabores, aromas y colores se conservan casi intactos. De esta forma, el alimento, a pesar de
haber sido procesado , es muy parecido al natural, lo cual es justamente lo que el consumidor
prefiere.
Actualmente se procesan por APH productos cárnicos, vegetales, lácteos, pescados y
mariscos y zumos y bebidas. Se trata por tanto de una tecnología de gran versatilidad que
puede aplicarse sobre una amplia gama de alimentos.
Figura 1. Equipo de altas presiones hidrostáticas
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El procesado por altas presiones se define como el tratamiento que consiste en aplicar una
presión entre 100 y 1000 MPa sobre un líquido que contiene los productos que van a ser
tratados. Generalmente, suele utilizarse agua debido a su baja compresibilidad, de ahí que
se le denomine también Alta Presión Hidrostática. Al incrementar la presión se produce un
pequeño descenso de volumen del agua (4% a 100MPa, 7% a 200MPa, 11,55% a 400 MPa,
siendo la T de 22ºC).
Esta tecnología se basa en dos principios:
Principio isostático o Teorema de Pascal
Este principio establece que los cambios de presión son prácticamente constantes y
uniformes, ya que la presión aplicada se transmite de manera isostática, y de forma casi
instantánea en todos los puntos del producto (figura 2), independientemente del volumen y la
geometría del producto. Con esto se evita la deformación y hace que no se presenten zonas
sobretratadas.
Teorema de Le Chateleir
Este principio postula que cualquier fenómeno que va acompañado de una disminución de
volumen se ve favorecido por la presión, y viceversa. Es decir la alta presión favorece las
reacciones que implican una disminución del volumen y retarda las que el volumen aumenta.
Presión
unidireccional
Presión
isostática
Figura 2. Representación de presión unidireccional e isostática
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Las escalas de medición con las que se representa la presión pueden variar, dependiendo
del sistema con el cual se trabaje (inglés o internacional). En el Sistema Internacional de
unidades (SI), la unidad de presión es el pascal (Pa). 1Pa=N/m2, aunque en el procesado de
alimentos, se utiliza el mega pascal (MPa) como unidad habitual.
Centro de la Tierra
Alta presión
hidrostática
Fosas marinas
Autoclave
Presión atmosférica
Figura 3. Equivalencias entre diferentes unidades de medida de la presión y ejemplos de
diferentes presiones conocidas.
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Tratamiento en productos envasados
Esta técnica de presurización es la más utilizada y la que ha tenido un desarrollo industrial más
significativo y consiste en aplicar una presión sobre un líquido que contiene el producto,
envasado al vacío en un material flexible e impermeable, que será sometido al tratamiento.
El producto es tratado, generalmente, en el envase final primario, la característica principal de
éste es que sea capaz de aguantar cambios en volumen que correspondan a la compresión
aplicada. Debido a que los alimentos experimentan una disminución en volumen como
consecuencia de la presión aplicada y una expansión de igual magnitud durante la
descompresión, los envases que se usarán en los procesos de altas presiones deben ser
capaces de soportar una reducción del 15% en su volumen, así como ser aptos para tornar a
su volumen original sin perder la integridad en el sellado o sus propiedades protectoras. Es
decir, han de ser flexibles y poder sellarse herméticamente.
Figura 4: Esquema de funcionamiento de un tratamiento de APH en producto envasado
(Fuente www.hiperbaric.com)
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Tratamiento en productos líquidos a granel
Esta técnica sólo es aplicable a productos alimentarios que puedan ser bombeados y
permite realizar el tratamiento de forma semicontinua. Se ha de intentar llenar la cámara
con la máxima cantidad posible de producto para evitar la presencia de aire. En este caso
el alimento está en contacto directo con el acero de la cámara, por lo que éste ha de ser
de un tipo que no experimente corrosión durante su ciclo de vida y que sea adecuado
para estar en contacto con los alimentos.
Producto sin
procesar
Salida del producto
Inyección del
producto
Sistema
refrigeración/
calentamiento
Pistón
Recipiente de
presión
Producto procesado
Salida de agua
Grupo de presión
Figura 5: Esquema de funcionamiento de un tratamiento
de APH en productos líquidos a granel
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2. Efecto de las APH
Cuando un alimento es sometido a APH se observa principalmente: modificación del
volumen del sistema, modificación de la estructura del almidón y las proteínas, modificación
de la actividad enzimática e inactivación de los microorganismos.
En la tabla siguiente se muestran las condiciones generales de presión en que se producen
esos efectos, aunque, en la práctica, son muy variables según el alimento tratado y cada
caso requiere un estudio completo.
Tabla 1. Efectos de las APH a diferentes presiones
Presión (MPa)
Efectos
>200
Influencia sobre la cinética enzimática
Modificación de las propiedades físicas de las proteínas
Alteración de la membrana de los microorganismos
>300
Inactivación enzimática irreversible
Muerte de los microorganismos
>400
Gelificación de los almidones
Desnaturalización de proteínas
>500
Muerte de las esporas bacterianas
Inactivación de las enzimas
Fuente: Raventós, 2010.
Raventós, M. Industria alimentaria. Tecnologías emergentes. Universidad politécnica de
Cataluña, 2010.
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2.1. Efecto de las APH en las proteínas
Las modificaciones de las proteínas se deben a cambios en las interacciones intra e
intermoleculares entre grupos funcionales de los aminoácidos. La presión afecta la estructura
cuaternaria (a través de las interacciones hidrófobas), y a la estructura terciaria (provocando
desdoblamiento irreversible).
En general, la aplicación de presiones superiores a 100-200 MPa a temperatura ambiente,
provoca la disociación de macroestructuras en subunidades, así como, el despliegue y
desnaturalización de estructuras monoméricas. Por otra parte, cuando la presión y
concentración proteica es elevada, las interacciones hidrofóbicas conducen a agregaciones y
gelificaciones de los sistemas biológicos. Los efectos que sufren las estructuras terciaria y
cuaternaria de las proteínas pueden ser reversibles, aunque dependiendo de factores como la
temperatura, pH y otros, también pueden tener lugar de forma irreversible.
2.2. Efecto de las APH en los lípidos
Los principales efectos sobre los lípidos se encuentran en los cambios de fase. La
temperatura de fusión de los lípidos, en especial de los triglicéridos, se incrementa, de forma
reversible, en unos 10-15 ºC por cada 100 MPa. Por este motivo, los lípidos en estado líquido
a temperatura ambiente pueden cristalizar bajo presión, dando lugar a la formación de
cristales más densos y estables. Es posible que la inactivación de microorganismos causada
por presión sea debida, en parte, a cambios en la estructura y permeabilidad de la membrana
celular a causa de la cristalización de los fosfolípidos.
Por otro lado, mientras que en condiciones normales, a presión atmosférica, la temperatura
de fusión de los lípidos depende de la longitud de la cadena hidrocarbonada, ésta no influye
bajo condiciones de presión . Este fenómeno podría aprovecharse para la mejora de la
estabilidad de alimentos grasos como la crema de cacao y chocolates, productos
farmacéuticos y grasas cosméticas .
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2.3. Efecto de las APH sobre los hidratos de carbono
Las reacciones de condensación de Maillard son inhibidas con la aplicación de la alta presión
en el rango de 50-200 MPa. En consecuencia, el desarrollo del sabor y el color típico de esta
reacción no se produce. Este efecto, según los casos, puede ser una ventaja o un
inconveniente de la aplicación de esta tecnología en el procesado de alimentos. Por ejemplo,
en la lactosa, los tratamientos térmicos pueden dar lugar a su isomerización a lactulosa, así
como promover la reacción con las proteínas de la leche (reacción de Maillard) provocando
una disminución del valor nutritivo y un aumento de la alergenicidad de ciertas proteínas
lácteas. En leches tratadas por Altas Presiones no se ha detectado la formación de lactulosa,
por lo que en este aspecto, la presurización de éstas también constituye una ventaja.
Estructuras covalentes que presentan bajo peso molecular como los sacáridos no son
perturbados por presiones de 100-200 MPa y esto se debe a que los enlaces covalentes no
son compresibles a esos valores de presión. Por otra parte, la alta presión afecta a la
transición sol-gel de los polisacáridos, formándose geles diferentes a los obtenidos por
aplicación de calor.
2.4. Efecto de las APH en las vitaminas
En general las APH a temperaturas moderadas mantienen el contenido de vitaminas de frutas
y hortalizas, sin embargo no ocurre lo mismo a altas temperaturas. Las APH es el proceso
tecnológico que menos afecta a las vitaminas hidrosolubles, lo que contribuye a conservar la
calidad nutricional del producto.
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2.5. Efecto de las APH en el color de los alimentos
Los tratamientos de altas presiones a temperaturas bajas o moderadas tienen un efecto
limitado sobre los pigmentos (clorofila, carotenoides, antocianinas, etc.) responsables del
color en frutas y verduras. Los carotenoides y antocianinas son bastante estables a los
tratamientos de APH. Los pigmentos pueden variar durante el almacenamiento debido a la
incompleta inactivación de enzimas y microorganismos.
Los tratamientos a APH a temperatura ambiente producen pocos cambios en el color verde de
los vegetales. En algunos casos, el color verde llega a ser incluso más intenso. Esto puede
ser debido al escape de clorofila al espacio intercelular como consecuencia de la rotura
celular durante el tratamiento de APH, desencadenando en un verde brillante más intenso en
la superficie del vegetal.
2.6. Efecto de las APH en la textura
Los cambios de textura en frutas y hortalizas pueden estar relacionados con transformaciones
en los polímeros de la pared celular debidos a reacciones enzimáticas y no enzimáticas.
Debido a la rotura celular durante el tratamiento a APH, los iones, sustratos y enzimas que se
encuentran localizados en diferentes compartimentos celulares pueden ser liberados e
interaccionar unos con otros. El grado de rotura celular no sólo depende del nivel de presión
aplicada sino del tipo de célula al que se aplica.
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3. Principales aplicaciones industriales
3.1. Aumento del periodo de conservación del producto
En un gran número de casos, su aplicación es debida a que aumenta el periodo de
conservación del producto, manteniendo una calidad organoléptica (superior a otros
tratamientos de conservación) y obteniendo productos seguros, mediante la eliminación de
patógenos como, por ejemplo, Salmonella en ovoproductos, Listeria en cárnicos y Vibrio en
moluscos y crustáceos. Esto facilita la exportación de productos a otros países debido a la
extensión de la vida comercial del alimento y además añade una ventaja adicional, ya que
permite ampliar las exportaciones a países con mayores exigencias en cuanto a la
seguridad alimentaria, como por ejemplo EE.UU. y Japón.
3.2. Transformación de productos
Otro campo de aplicación que despierta un gran interés es en la transformación de
productos, en este caso el objetivo sería aprovechar el efecto de las Altas Presiones sobre
los componentes de los alimentos para crear nuevas funcionalidades, texturas,
presentaciones, etc. Algunos ejemplos son:
Preparación de soluciones de proteínas (de huevo, de soja o suero lácteo) e hidrocoloides
(pectina, almidón), como alternativa a la texturización por calor. Se obtienen geles más
resistentes, de texturas únicas, como los flanes elaborados por presión con un intenso
sabor a huevo y una textura diferente a la tradicional.
Modificación de proteínas séricas para hacerlas más hidrofóbicas y así dotarlas de la
capacidad de ligar aromas (frecuentemente hidrófobos) y hacerlos estables en alimentos
bajos en grasas.
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3.3. Congelación y descongelación de alimentos
En cuanto a la rápida congelación y descongelación de alimentos, la congelación asistida
por presión se basa en la disminución de la temperatura de congelación por efecto de la
presión. Cuando el alimento se encuentra bajo presión se disminuye la temperatura del
recipiente de presurización hasta temperaturas bajo cero. La posterior liberación de
presión provoca la inmediata y uniforme congelación del alimento, con formación de
cristales de hielo de pequeño tamaño, ayudada por el enfriamiento adiabático. Del mismo
modo pueden descongelarse de forma rápida alimentos en los que los cristales de hielo
desaparecen al someterlos a presión, subiendo la temperatura antes de liberar la presión.
3.4. Apertura de crustáceos
En la apertura de crustáceos, como ostras y bogavantes entre
otros, se encuentra una oportunidad de mercado única. El
proceso consiste en someter ostras vivas a presiones de 240350 MPa. durante 3 minutos. Estos tratamientos desnaturalizan
el músculo abductor y por ello las ostras pueden ser abiertas
con un esfuerzo mínimo. Esto reduce el esfuerzo y riesgo
(accidentes laborales de los operarios con los cuchillos) que
provoca el desconchado manual y reduce considerablemente
el costo de esta tarea. A todo esto hay que agregarle el
aumento de la vida útil bajo refrigeración a 3 semanas y la
reducción del riesgo microbiano para los consumidores de
ostras crudas, ya que este tratamiento inactiva los patógenos
Vibrio parahaemolyticus, V. vulnificus, V. cholerae, V. hollisae y
V. mimicus.
Figura 6. Ejemplo de aplicación
de apertura de crustáceos
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3.5. Aceleración del proceso de maduración del queso
Otro efecto interesante causado por la Altas Presiones, consiste en la aceleración del
proceso de maduración del queso. Algunos estudios han visto que, tratamientos de 345
MPa durante un intervalo de 3 a 7 minutos aplicados sobre cuajada fresca de queso
Cheddar lograron una formación inmediata de una microestructura similar a la que se
puede observar en el queso madurado, además se observó una mejora en las propiedades
visuales, de textura y de tacto. Las ventajas económicas de esta tecnología son
importantes, principalmente el ahorro provocado al eliminar el almacenamiento refrigerado
requerido durante la maduración del queso Cheddar.
3.6. Reducción del tiempo de absorción de agua en leguminosas
La aplicación de Altas Presiones sobre las leguminosas reduce el tiempo de absorción de
agua. Los tratamientos a 275, 410, 550, ó 690 MPa a 25 ºC durante 5 minutos, incrementaron
la velocidad de absorción de agua alcanzando la saturación en la mitad del tiempo utilizado
por la muestra control, esto implica una reducción del tiempo de preparación y aunque la
aplicación de esta tecnología requiere una inversión inicial considerable en la adquisición del
equipo, los costes de operación son menores cuando se comparan con la mayoría de los
tratamientos térmicos usados para ablandar la textura de las leguminosas. Además, la
aplicación de esta tecnología no generaría las aguas residuales que se ocasionan por el
remojo de las legumbres.
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3.7. Mejora de la digestibilidad de productos cárnicos
En la carne y derivados además de alargar la vida útil en
refrigeración tiene otros efectos importantes. La alta
presión rompe la membrana de los lisosomas, de esta
forma, las proteasas contenidas en ellos son liberadas al
citoplasma. Las proteínas que han sido desnaturalizadas
por la presión son más sensibles a las proteasas sin que
su valor biológico se vea alterado. Esto mejora la
digestibilidad y la disponibilidad, además de influir de forma
positiva en el aroma y sabor de la carne.
Figura 7. Ejemplo de aplicación de
APH en productos cárnicos
3.8. Eliminación de anisakis
Por otra parte, científicos del Instituto del Frío (CSIC), señalan que el nematodo anisakis
puede ser eliminado con un tratamiento suave de Altas Presiones (entre 140 y 200 MPa) con
una duración de 10 a 15 minutos, frente a las 24 horas requeridas como mínimo para
neutralizar el parásito con un proceso de congelación a -20 ºC, según la Agencia Española
de Seguridad Alimentaria. Multitud de trabajos muestran que este nivel de presión no causa
importantes alteraciones en la calidad del pescado fresco, y a la vez se consigue eliminar el
nematodo con un considerable ahorro de tiempo y energía frente al procesado tradicional por
congelación.
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Ejemplos de aplicaciones comerciales
Productos cárnicos
Aguacate y guacamole
Zumos y procesado de frutas
Salsas, ensaladillas y rellenos
Platos preparados
Pescados y mariscos
Alimentación infantil
Lácteos
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4. Conclusiones
•La aplicación de APH hace que se retengan las características del producto fresco, de esta
forma se mantienen las propiedades sensoriales y nutricionales intactas.
•La aplicación de APH inactiva microorganismos (por lo que se aumenta la seguridad
alimentaria y la calidad durante la vida del producto).
•La aplicación de APH aumenta la vida útil del producto.
•La aplicación de APH evita o reduce la necesidad de conservantes y aditivos alimentarios.
En general, es una tecnología que ha introducido en el mercado una gran
variedad de productos innovadores listos para consumir, con una vida útil mayor,
un incremento de la calidad sensorial respecto a otros tratamientos de
conservación, un alto valor añadido, contenidos microbianos bajos y con una
elevada oportunidad comercial debido al creciente interés por parte del
consumidor de productos seguros con cualidades organolépticas similares a las
de los productos frescos. Sin embargo a la hora de implementarse esta
tecnología se debería actuar con cautela y evaluar los aspectos económicos ya
que se lucha contra tecnologías térmicas bien establecidas, económicamente
viales y efectivas para controlar los peligros de contaminación biológica.
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Hidrostáticas en la Industria
Alimentaria
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