27/01/2011 IMPREGNACION A VACIO: FUNDAMENTOS Y APLICACIONES EN EL DESARROLLO DE ALIMENTOS FUNCIONALES Pedro Fito y Noelia Betoret DTA (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. 1 27/01/2011 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). ) Tratamientos a vacío: Primeras referencias 2 • • • A principio de los años 90 Barret (Barret et al., 1990) y Javeri (Javeri et al., al 1991) introducen el término de vacuum infusion en el área de la ingeniería de alimentos. El término sigue utilizándose durante toda la década de los 90, para hacer referencia a una operación de tratamiento a vacío de frutas con soluciones enzimáticas (Robert and Wicker, 1996; Baker and Wicker, 1996); la operación facilitaba el pelado de f t como la frutas l uva (Rouhana (R h and d Mannheim, M h i 1994) o los cítricos (Pao et al., 1997). La incorporación de calcio en las disoluciones permitía mejorar la firmeza de frutas como los melocotones (Javeri et al., 1991) . 2 27/01/2011 Sin embargo no se aclaraban las razones del efecto del vacío en los procesos… • El grupo de Valencia (Fito, 1992 & 1994) explica el efecto del vacío en productos porosos inmersos en un liquido, sometidos a operaciones i d deshidratación de d hid t ió osmótica óti ( (manzanas G Granny Smith). • Las bajas presiones no justificaban los cambios observados en la cinética. • Los gradientes de presión externa-interna, espontáneos o impuestos, actuaban como fuerzas impulsoras para producir flujos hidrodinámicos. • El g gas atrapado p en los p poros se comprime p o se expande p al mismo tiempo que la solución externa entra en los mismos. • Este fenómeno fue definido como mecanismo hidrodinámico (Hydrodynamic mechanism: HDM) y su aplicación como impregnación a vacío (Vacuum Impregnation: VI) HDM & VI • Es en los años 1990 a 1993 cuando (Mata 1990; Pastor 1992; Fito et al. 1993), basándose en observaciones experimentales, explican el efecto de la aplicación de presiones de vacío sobre la cinética de la operación de deshidratación osmótica, osmótica describiendo un nuevo mecanismo de transporte: el hidrodinámico (HDM). Además sentaron las bases de la operación de impregnación a vacío (VI) que describirán de forma rigurosa en los años posteriores (Fito, 1992, 1994a; Fito, 1994b; Fito & Pastor, 1994; Fito & Chiralt, 1995; Fito et al., 1996). Posteriormente Saurel, Saurel Raoult y Rastogi realizan aportaciones importantes en relación a los mecanismos de transferencia de masa implicados en el proceso de deshidratación osmótica con aplicación de vacío (Saurel et al., 1994a; Saurel et al., 1994b; Raoult-Wack & Rios, 1994; Rastogi & Raghavarao, 1996). 3 27/01/2011 Vacuum Impregnation (or Vacuum Infusion) • Impregnate • To make a substance p through g an spread area (or volume) so that the area (or volume) is full of the substance (“the pad is impregnated with insecticide”) • To make a woman or female animal pregnant • infusion • The act to adding sth to sth else in order to make it stronger or more successful • A drink or medicine made by soaking herbs, etc. in hot water Oxford dictionary, 6th ed. 2000 HDM-VI: desarrollo histórico • En los últimos años los trabajos se han centrado en: –L La descripción d i ió y ell establecimiento t bl i i t de d las l bases de nuevas operaciones y/o procesos. – Estudio de las operaciones y/o procesos propuestos y el análisis del efecto de diferentes variables. – Análisis del efecto de las nuevas operaciones y/o procesos sobre las propiedades físicoquímicas, estructurales y de calidad del producto final. 4 27/01/2011 Hitos en el desarrollo histórico • • • • • • Descripción de la operación de infusión a vacío y análisis de algunas propiedades físicas de los alimentos en relación a la aplicación de dicha operación. operación Aplicación de la infusión a vacío en el pelado enzimático de diferentes frutas. Efecto de la aplicación de vacío sobre la cinética de la operación de deshidratación osmótica. Fundamentos de la operación de impregnación a vacío. Mecanismos de transferencia de materia, modelo g experimental p para la operación p p matemático y metodología de impregnación a vacío. La impregnación a vacío como operación básica de interés en el procesado de alimentos y en el desarrollo de nuevos productos: aplicaciones. What the HDM & VI are? The model • The model of this mechanism predicts the entry of an external liquid in a porous product when any overpressure is applied in the system; nevertheless liquid will be released when the product returns to normal pressure. The advantage of the HDM action after a vacuum p period in the system y lies in the p partial g gas release throughout this period while the mechanical equilibrium is being achieved; the restoring of atmospheric pressure implies compression only of the residual gas and flow into the pores of the external liquid. Therefore, the product remains filled with the liquid phase at normal pressure. • From the HDM model it is possible to predict the amount of liquid that can be introduced in a porous food with different aims: modifying y g the composition, p introducing g additives, salting, g etc., and it is also possible to evaluate the effectiveness of a vacuum treatment in expelling internal gas or liquid. 5 27/01/2011 Operación de Impregnación a Vacío (IV) (Fito et al.,1992, 1994, 1996) Modelo en una matriz rígida •Fracción volumétrica del producto impregnada por el liquido externo. Etapa 0 pe=patm pi=pe+pc ⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞ X = ε e ⎜1 − ⎟ ≈ ε e ⎜ 1 − ⎟ ⎝ r⎠ ⎝ R⎠ r= p 2 + pc p1 R= Etapa 1 pe=p1<patm p2 p1 te=t1 pi=pe+pc •Fracción Fracción volumétrica impregnada en una matriz viscoelástica. εe = ( X −γ )r +γ1 r −1 VI Etapa 2 Pmo e=p2=patm te=t2 pi=pe+pc HDM & Fenómenos de transporte de materia Hipótesis • la energía mecánica acumulada en la matriz del alimento durante el secado p por las deformaciones… • 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 6 27/01/2011 Modelo del HDM-VI para estructuras rígidas Young Laplace equation Young-Laplace pc = 4σ D 32μz 2 dx Kinetics of bulk mass transport − Δp + xv =0 2 dt D Mechanical equilibrium 1 1 X = ε e (1 − ) ≈ ε e (1 − ) r R xv = p 2 + p c − p1 p 2 + pc xv = pc p2 + pc R= p2 p1 (Fito, 1992; Fito and Pastor, 1994) xv Niveles de impregnación según la presión aplicada 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 200 400 600 xv (c, 160) xv (c, 10) xv (r, 160) xv (R) xv (r, 10) 800 1000 p (mbar) Influence of vacuum pressure on the pore volume fraction impregnated 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) 7 27/01/2011 HDM-VI Modelo para estructuras viscoelásticas • El modelo HDM se aplicó a productos con comportamiento viscoelástico, en los que se acoplan fenómenos de transferencia de materia con otros de deformación relajación (DRP) (Fito and Chiralt, 1996; Fito et al., 1996 Equilibrio mecánico: ( X − γ ) r + γ1 εe = r −1 Cinética del HDM-VI Pressure-Impregnation Pressure Impregnation relationship Kinetic equation Reduced impregnation level 1 k =1+ x ve Equilibrium parameter 1 − x ve − Δp = p 2 ( − 1) 1− xv ⎡ ⎛ 1 − x r ⎞⎤ t 1 ⎟⎟⎥ = − ( x 2r − x 2ro ) − k ⎢(x r − x ro ) + ln⎜⎜ B 2 ⎝ 1 − x ro ⎠⎦ ⎣ xr = xv x ve ⎛ eF1 ⎞ p2 ⎜ ⎟ B = 8μ 2 ⎜ (p 2 − p1 ) ⎝ rp ⎟⎠ 2 Impregnation liquid viscosity, operation pressure, and structure characteristics parameter 8 27/01/2011 Aplicaciones del HDM-IV Tabla I. VIn and physical properties VIn and enzymatic peeling (Barret et al., 1990) 1990 (Javeri (J ve eet al.,., 1991) 99 ) 1991 1992 1993 (Wei-Chi & Sastry, 1993) 1994 (Moreira et al., 1994) VI and osmotic dehydration VI and mass transfer (Soffer & Chaim, 1994) (Rouhana & Mannheim, 1994) (Baker & Wicker., 1996) (Rastogi & Raghavarao, 1996) (Fito, 1994a) patent (Fito, 1994b) (Fito & Pastor, 1994) (Fito & Chiralt, 1995) (Shi & Fito, 1994) (Shi et al., 1995) (Fito et al., 1996) (Chiralt & Fito, 1996) (Andres et al., 1997) (Martinez-Monzo et al., 1997) (Guamis et al., 1997) (Castro et al., al 1997) (Pao et al., 1997a) (Pao et al., 1997b) (Pretel et al., 1997) (Del Valle et al., 1998) (Pao & Petracek, 1998) 1998 VI, processes and new products (Fito, 1992) (Shi & Fito, 1993) (Fito et al., 1993) (Saurel et al., 1994a) (Saurel et al., 1994b) (Raoult-Wack & Rios, 1994) 1995 1996 1997 Fundamentals of VI (Barat et al., 1998) (Barat et al., 1999) 1999 (Salvatori et al., 1998) (Martinez-Monzo et al., 1998a, b) (Sousa et al., 1998) (Nieto et al,. 1998) (Chiralt et al., 1999a, b) (Martin et al., 1999) (Salvatori et al., 1999a, b) (Gonzalez et al., 1999) (Tapia et al., 1999) Aplicaciones del HDM-IV VIn and physical properties 2000 VIn and enzymatic peeling VI and osmotic dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer (Culver et al., 2000) 2001 (Prakash et al., 2001) (Roa et al., 2001) (Barat et al., 2001c) VI, processes and new products (Escriche et al., 2000) (Martinez-Monzo et al., 2000) ((Fito et al.,, 2000)) (Fito & Chiralt, 2000) (Pavia et al., 2000a) (Pavia et al., 2000b) (Mastrangelo et al,. 2000)* (Chafer et al., 2001a) (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 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) 9 27/01/2011 Aplicaciones del HDM-IV VIn and physical properties VIn and enzymatic peeling VI and osmotic dehydration 2002 VI and mass transfer VI, processes and new products (Rastogi et al., 2002) (Shi et al., 2002) (Gras et al., 2002) (Gonzalez et al., 2002) (Barat et al., 2002) (Saurel et al., 2002) patent (Mujica-Paz et al., 2002) (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) Fundamentals of VI 2003 REFERENCES ORIGIN vs TIME 30 25 20 15 10 5 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 DTA America Latina North America Europe-Asia 10 27/01/2011 Aplicaciones del HDM-IV new operations or processes proposed Salting by VI (Chiralt et al., al 1999a) (Fito et al., 2001b) (Fito et al., 2001d) (Chiralt et al., 2001a) (Fito et al., 2001c) (Martinez-Monzo et al., 2001) (Fito & Chiralt, 2000) (Andres et al., 2001a) (Gras et al., 2001) (Fito et al., 2001a) (Gras et al., 2002) (Gras et al., 2003) (Gonzalez et al., 2001) Brining by VI (Chiralt & Fito, 1996) VI Foods Plant tissues VI and OD Salting by VI Functional foods by VI Cryoprotection by VI VI VI Vegetables Mineral fortification by VI Cheese and manchego type cheese bases of new process proposed Curd Brine VI (Chiralt et al., 1999b) Cod salting and desalting by VI (Andres et al., 2001b) Tasajo Salmon Brine VI VI smoding study of process and effect of new process variables (Gonzalez et al., 2002) (Andres et al al., 1997) (Guamis et al., 1997) (Gonzalez et al., 1999) (Rodriguez- Barona et al., 2001a) (Rodriguez- Barona et al., 2001b) (Andujar et al., 2001) (Buguenyo et al., 2001) changes in physicochemical properties of final product (Bugueno et al., 2003) Aplicaciones del HDM-IV Fruits Apple ne operations or new processes proposed bases of ne new process proposed VI Candying by VI probiotic fortification by VI VI (Fito et al., 2000) (Barat et al., 2001d) (Betoret et al., 2003) VI + AD + MW (Fito et al., 2001e) Vacuum osmotic dehydration Cryoprotection by VI VI with HM pectin vacuum osmotic dehydration Pineapple Banana Kiwi Orange and mandarin peel candying by VI VI Vacuum Osmotic dehydration VI + OD study st d of process and effect of changes in ph physicochemical sicochemical new process variables properties of final product (Salvatori et al., 1998) (Martin et al., 1999) (Martin et al., 2001b) (Salvatori et al., 1999a) (Salvatori et al., 1999b) (Barat et al., 2001b) (Chiralt et al., 2001b) (Martin et al., 2001a) (Martinez-Monzo et al., 1997) (Martinez-Monzo et al., 2000) (Martinez-Monzo et al., 1998a) (Martinez-Monzo et al., 1998b) (Castro et al., 1997) (Barat et al., 2001a) (Barat et al., 2002) (Sousa et al., 1998) (Escriche et al., 2000) (Chafer et al., 2001a) (Chafer et al., 2001b) (Chafer et al., 2001d) (Chafer et al., 2001c) 11 27/01/2011 Aplicación del HDM-VI al desarrollo de alimentos frescos funcionales (Functional Foods Development) INTRODUCCIÓN CAMBIOS BIOLÓGICOS INGENIERÍA GENÉTICA MEJORAS EN LAS TÉCNICAS DE CULTIVO O CRÍA METODOLOGÍAS DISPONIBLES PARA LA FABRICACIÓN DE ALIMENTOS ENRIQUECIDOS INGENIERÍA DE MATRICES FORMULACIÓN DE ALIMENTOS CAMBIOS TECNOLÓGICOS OBTENER PRODUCTOS CUYAS CARACTERÍSTICAS RESPONDAN MÁS ADECUADAMENTE A LAS EXIGENCIAS DEL PRODUCTOR O CONSUMIDOR 12 27/01/2011 Mejoras en las técnicas de cultivo o cría. Potencialidad limitada, pero en algún caso han permitido de una forma rápida p p y relativamente sencilla producir alimentos tradicionales con características mejoradas. Ejemplo: Sistema controlado de alimentación de pollos (producto Biotene, US patent 5246717, 1993). contenido mas bajo en colesterol y en grasas saturadas. aumentan su concentración en ácidos grasos Omega-3, en vitamina E y en yodo. La empresa vendió en 1998 mas de 300 millones de huevos. 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 sus propiedades funcionales o sensoriales (Fito et al, JFE 2001) 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. Formación de estructuras coloidales, la extrusión, la fritura, el horneado, La Impregnación a Vacío, el hinchado, etc. El recubrimiento con películas comestibles Técnicas combinadas de deshidratación : (deshidratación osmótica, secado a vacío, aplicación de microondas, radiación infrarroja, etc), 13 27/01/2011 Parénquima de berenjena (Cryo-SEM). Micelio de champiñón (Cryo-SEM). 14 27/01/2011 Seta de cardo (Pleorotus ostreatus). INTRODUCCIÓN UTILIZACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE INGENIERÍA DE MATRICES EN LA OBTENCIÓN DE ALIMENTOS FUNCIONALES Alimentos estructurados 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 -- componentes liposolubles 2º Técnicas que generan productos estructurados estables y les imparten características deseables Nuevos alimentos funcionales 15 27/01/2011 MODELO MATEMÁTICO DE LA OPERACIÓN Y ENSAYOS PRELIMINARES RESULTADOS I. Modelo matemático FRUTA U HORTALIZA QUE SE DESEA ENRIQUECER ELEMENTO MINERAL QUE SE DESEA APORTAR Referencias bibliográficas o resultados experimentales: X: fracción volumétrica de muestra impregnada con líquido γ1 la deformación de la muestra durante la etapa de vacío en un experimento de IV γ: deformación volumétrica de la muestra ρS (kg/m3): densidad de la fruta u hortaliza fresca ECUACIÓN DE MODELO DEL HDM ACTUANDO EN UN PROCESO DE IV 1 X = εe (1 − ) r Modelo del HDM acoplado con fenómenos de deformación-relajación: Modelo rígido: Información comercial: Sal mineral; solubilidad Riqueza mineral C: concentración del elemento mineral en la disolución de impregnación CANTIDAD DE MINERAL INCORPORADO (kg mineral/kg producto enriquecido) ρ ml ρ pf ρ 1 + X ml ρ pf x ml X x pi = εe (r − 1) = ( X − γ )r + γ 1 GRUPO 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) m pi = CDR x pi 16 27/01/2011 RESULTADOS I. Modelo matemático Porosidad mínima requerida para desarrollar productos enriquecidos con propiedades específicas 64,1 35,9 21 13,716,9 16,1 4,66% setta de calab bacín champ piñón zanah horia piel 4,3 njena beren melón m 6 piel naranja ciruela piña pera kiwi 2,2 3,7 3,4 2 albarico oque 9,1 0,7 meloc cotón ffresa 5,9 6,4 25 remola acha 17 ma ango 60 50 40 30 20 10 0 manzana porosidad eficaz (% ) Frutas y hortalizas con posibilidades de ser enriquecidas No es factible el enriquecimiento en calcio en las cantidades especificadas utilizando 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 17