Desarrollo y aplicación de un sistema en continuo para la inactivación de microorganismos mediante fluidos supercríticos asistidos por ultrasonidos de potencia

Abstract

Thermal treatments are used to extend the shelf life of food. However, these methods, which use high temperatures, may alter the sensory and nutritional properties of food. Therefore, along with the demand of consumers of fresh and natural foods, there is an increasing interest in non-thermal preservation techniques. The aim of these new technologies is to ensure the preservation of food while maintaining its nutritional value and organoleptic properties. An example of these methods is given by the use of supercritical CO2 (SC-CO2). Different authors have reported the inactivation of enzymes and microorganisms as a result of SC-CO2. Moreover, this technique minimally alters the sensory and nutritional properties of foods. On the other hand, the use of supercritical fluids assisted with high power ultrasound (HPU) allows vigorous agitation and a rapid dissolution of CO2 into the medium. Consequently, the rate of the inactivation mechanisms associated with supercritical CO2 also increases. This technology has been mainly developed in a discontinuous system presenting important reductions on the time of microbial inactivation compared to using only supercritical fluids. However, the food industry requires continuous systems to process large quantities of product. In this context, the main purpose of the present Doctoral Thesis was to develop and apply a continuous system for the inactivation of microorganisms using supercritical fluids assisted with high power ultrasound (SC-CO2-HPU). Both, the microbial inactivation capacity of the technique and the effect of treatments on food quality were assessed. The first stage of the project consisted on the retrofitting of a system for the inactivation of microorganisms that combines the use of supercritical fluids (SC-CO2) and ultrasound to convert its discontinuous (or batch) operation system into a continuous system. The second stage of the project consisted on the analysis of the effect of the pressure, temperature and residence time on the inactivation of S. cerevisiae inoculated in commercial apple juice treated in the SC-CO2-HPU system developed as described previously. The juice inoculated was processed using the continuous SC-CO2 equipment. Treatments were carried out with and without HPU, to evaluate the effect of HPU treatment on the quality parameters of the juice. The conditions used for the residence time, the temperature and the pressure were 3.06-9.2 min, 31-41°C, and 100-300 bars, respectively. The inactivation ratios were fitted to a hybrid model to study the effect of process variables. In the third stage, the orange juice was treated in the continuous SC-CO2-HPU equipment, to verify the viability of its use as a method for its preservation and the possible reduction of the disadvantages attributed to thermal pasteurization. The conditions used for the residence time, the temperature and the pressure were 3.06 min, 31, 36 and 41 °C and 100 bar, respectively. The juice was also subjected to pasteurization to compare the effect between treatments. The fourth stage consisted on the evaluation of the effect of residence time (3.06-4.6 min) at 100 bars and 31°C on the quality and the microbiota of pineapple juice treated in the continuous SC-CO2-HPU equipment. Also, the degradation of Vitamin C and the evolution of the microbiota of fresh and processed pineapple juice during storage at 4 °C were analyzed. It can be concluded that the technique developed in the present Thesis has a great potential as a preservation method. Continuous SC-CO2-HPU treatment involves mild processing conditions and reasonable processing times for the food industry, which would result in a limited impact on the nutritional and organoleptic properties of the treated products.

Para prolongar la vida útil de los alimentos se utilizan diferentes técnicas de conservación, siendo tradicionalmente los tratamientos térmicos los más empleados. Sin embargo, estas técnicas que emplean altas temperaturas, alteran las propiedades sensoriales y nutricionales del alimento. Por ello, y junto a la demanda de los consumidores de alimentos frescos y naturales, existe un creciente interés por las técnicas de conservación no térmicas. El objetivo de estas nuevas tecnologías es asegurar la conservación de alimentos, manteniendo su valor nutricional y propiedades organolépticas. El uso de CO2 en estado supercrítico (SC-CO2) es una de estas tecnologías. El SC-CO2 ha sido reseñado por diferentes autores en la inactivación de enzimas y microorganismos, alterando mínimamente las propiedades sensoriales y nutricionales de los alimentos. Por otra parte, el uso de fluidos supercríticos asistidos con ultrasonidos de potencia (HPU) permite una vigorosa agitación del medio, una rápida disolución del CO2 en el medio y por tanto un aumento en la velocidad de los mecanismos de inactivación asociados al CO2 supercrítico. Dicha tecnología ha sido desarrollada en un sistema en discontinuo, presentando importantes reducciones en el tiempo de inactivación microbiana, comparado con el uso solo de fluidos supercríticos. Sin embargo, en la industria alimentaria se precisa de sistemas en continuo que permitan procesar grandes cantidades de producto. En este contexto, el objetivo principal de la presente Tesis Doctoral fue desarrollar y aplicar un sistema de inactivación de microorganismos en continuo, empleando fluidos supercríticos asistidos con ultrasonidos de potencia (SC-CO2-HPU). La primera etapa del proyecto consistió en la adaptación del sistema de inactivación de microorganismos mediante fluidos supercríticos (SC-CO2) y ultrasonidos (HPU) para convertir su funcionamiento de discontinuo a continuo. La segunda etapa consistió en analizar el efecto de la presión, temperatura y tiempo de residencia sobre la inactivación de S. cerevisiae inoculado en zumo de manzana comercial, mediante el sistema desarrollado de SC-CO2-HPU en continuo . Para ello el zumo inoculado fue tratado en el equipo de SC-CO2 en continúo, con y sin HPU, para evaluar el efecto de los HPU. Las condiciones empleadas fueron: tiempos de residencia de zumo (3.06-9.2 min), temperaturas (31-41ºC) y presiones (100-300 bares). Las relaciones de inactivación se ajustaron a un modelo híbrido para estudiar el efecto de las variables del proceso. En la tercera etapa se procesó zumo de naranja en el equipo de SC-CO2-HPU en continuo, con el fin de comprobar la viabilidad de su uso como método de conservación, evaluando la posible reducción de los inconvenientes atribuidos a la pasteurización térmica. Las condiciones de proceso empleadas fueron: presión (100 bar), temperatura (31, 36 y 41 °C) y tiempo de residencia (3.06 min). El zumo también fue sometido a pasteurización a efectos de comparación entre tratamientos. La cuarta etapa consistió en evaluar el efecto del tiempo de residencia (3.06-4.6 min) a 100 bares y 31ºC sobre las variables de calidad y microbiota de zumo de piña tratado en el equipo de SC-CO2-HPU en continuo, además de analizar la degradación de Vitamina C y la evolución de la microbiota de zumo de piña fresco y tratado durante el almacenamiento a 4 °C. Se puede concluir que la técnica desarrollada presenta un gran potencial como método de conservación, ya que emplea condiciones de tratamiento moderadas y tiempos de proceso razonables para la industria alimentaria, lo que resultaría en un impacto muy pequeño sobre las propiedades nutricionales y organolépticas de los productos tratados.

Per a perllongar la vida útil dels aliments s'utilitzen diferents tècniques de conservació, sent tradicionalment els tractaments tèrmics els més emprats. No obstant açò, aquestes tècniques que empren altes temperatures, alteren les propietats sensorials i nutricionals de l'aliment. Per açò, i al costat de la demanda dels consumidors d'aliments frescos i naturals, existeix un creixent interès per les tècniques de conservació no tèrmiques. L'objectiu d'aquestes noves tecnologies és assegurar la conservació d'aliments, mantenint el seu valor nutricional i propietats organolèptiques. L'ús de CO2 en estat supercrític (SC-CO2) és una d'aquestes tecnologies. El SC-CO2 ha sigut ressenyat per diferents autors en la inactivació d'enzims i microorganismes, alterant mínimament les propietats sensorials i nutricionals dels aliments. D'altra banda, l'ús de fluids supercrítics assistits amb ultrasons de potència (HPU) permet una vigorosa agitació del medi, una ràpida dissolució del CO2 en el medi i per tant un augment en la velocitat dels mecanismes de inactivació associats al CO2 supercrític. Aquesta tecnologia ha sigut desenvolupada en un sistema en discontinu, presentant importants reduccions en el temps de inactivació microbiana, comparat amb l'ús sol de fluids supercrítics. No obstant açò, en la indústria alimentària es precisa de sistemes en continu que permeten processar grans quantitats de producte. En aquest context, l'objectiu principal de la present Tesi Doctoral va ser desenvolupar i aplicar un sistema d'inactivació de microorganismes en continu, emprant fluids supercrítics assistits amb ultrasons de potència(SC-CO2-HPU). S'avaluarà tant la capacitat d'inactivació microbiana de la tècnica com l'efecte dels tractaments sobre la qualitat dels aliments. La primera etapa del projecte va consistir en l'adaptació del sistema de inactivació de microorganismes mitjançant fluids supercrítics (SC-CO2) i ultrasons (HPU) per a convertir el seu funcionament de discontinu a continu. La segona etapa va consistir a analitzar l'efecte de la pressió, temperatura i temps de residència sobre la inactivació de S. cerevisiae inoculat en suc de poma comercial, mitjançant el sistema de SC-CO2-HPU en continu desenvolupat. Per a açò el suc va ser inoculat amb una concentració de cèl·lules i va ser tractat en l'equip de SC-CO2 en continu, amb i sense HPU, per a avaluar l'efecte dels HPU. Les condicions emprades van ser: temps de residència de suc (3.06-9.2 min), temperatures (31-41ºC) i pressions (100-300 bars). Les relacions d'inactivació es van ajustar a un model híbrid per a estudiar l'efecte de les variables del procés. En la tercera etapa es va treballar amb suc de taronja, el qual és un dels sucs processats més consumits a nivell mundial. No obstant açò, per a la seua conservació es requereix d'un tractament mitjançant calor, el qual provoca grans canvis organolèptics i nutricionals. En aquesta part del treball es va processar suc de taronja en l'equip de SC-CO2-HPU en continu, amb la finalitat de comprovar la viabilitat del seu ús com a mètode de conservació. Les condicions de procés emprades van ser: pressió (100 bar), temperatura (31, 36 i 41°C) i temps de residència (3.06 min). El suc també va ser sotmès a pasteurització a efectes de comparació entre tractaments. La quarta etapa va consistir a avaluar l'efecte del temps de residència (3.06-4.6 min) a 100 bars i 31ºC sobre les variables de qualitat i microbiota de suc de pinya tractat en l'equip de SC-CO2-HPU en continu, a més d'analitzar la degradació de Vitamina C i l'evolució de la microbiota de suc de pinya fresc i tractat durant l'emmagatzematge a 4°C. Es pot concloure que la tècnica desenvolupada presenta un gran potencial com a mètode de conservació, ja que empra condicions de tractament suaus i temps de procés raonables per a la indústria alimentària, la qual cosa resultaria en un impacte molt xicote