Montevideo Oct 8-10, 2007

Federico HarteFood Science and Technologyfede@utk.edu

ContenidoContenido

Métodos “no térmicos”Alta Presión Hidrostática (APH)Homogeneización a Alta Presión (HPH)Aplicaciones en alimentosAplicaciones con caseínaFuturos desarrollos?

MMéétodos todos ““no tno téérmicosrmicos””??

“Me gustan los Pasteur, pero por Dios – jugo de tomate hervido, pescado hervido, lechuga hervida, pan hervido …”

Knorr, D. 2003 – IFT

Knorr, D. 2003 – IFT

RadiaciRadiacióón Gamman GammaRayos XRayos XCampos elCampos elééctricosctricosPulsos magnPulsos magnééticosticosPulsos de luzPulsos de luzUltravioletaUltravioletaAlta PresiAlta Presióón Hidrostn Hidrostááticatica

UltrasonidoUltrasonidoOzonoOzonoQuQuíímicos y bioqumicos y bioquíímicosmicosFermentaciFermentacióónnActividad de aguaActividad de aguaHomogeneizaciHomogeneizacióónn

Métodos no térmicos

Alta presión hidrostática– escala y principio

Seguridad alimentaria Seguridad alimentaria PasteurizaciPasteurizacióón de ostras, salsas, jamn de ostras, salsas, jamóón en n en fetasfetasFormadores de esporas (Formadores de esporas (Bacillus, ClostridiumBacillus, Clostridium))

InactivaciInactivacióón enzimn enzimááticaticaGuacamole (PPO), jugos de fruta (PME) Guacamole (PPO), jugos de fruta (PME)

CongeladoCongelado--Descongelado AsistidoDescongelado AsistidoMenor daMenor dañño estructural (cristales de menor o estructural (cristales de menor tamatamañño) o) Descongelado rDescongelado ráápidopido

Péé tid bi ti

Alta presión hidrostática

Homogeneización

Stress de cizalla

Impacto

Turbulencia

Cavitación

Alta Presión

www.foodsci.uoguelph.ca

Homogeneización

Homogeneizadores - 2004 Homogeneizadores - 2007

EmulsiFlex-C50

EmulsiFlex-C55

EmulsiFlex-C160

EmulsiFlex-C1000

200 MPa Max

AVESTINhttp://www.avestin.com/(Canada)

NanoDeBEE

MicroDeBEE

MiniDeBEE

250 mL/min

310 MPa Max.

BEE Internationalhttp://www.beei.com/(Israel)

Stansted – 400 MPa Maxhttp://www.sfp.com/(UK)

1st stage 2nd stage

INOUT

Un intensificador

tiempo

Dos intensificadores

tiempo

Aplicaciones en alimentosAplicaciones en alimentos 1) Seguridad Alimentaria

Cual es el Potencial?

2) Funcionalidad (físico-química)

Seguridad alimentaria

WARNING: This product has not been pasteurized and therefore

may contain harmful bacteria that can cause serious illness in

children, the elderly, and persons with weakened immune systems.

Inactivación de E. coli por HPH

Temperatura en la válvula del HPH Inactivación de E. coli por HPH

Taylor et al., 2007. J. Food Protection 70(4):1007-1010

Silo Tank High Pressure Homogenizer

Heat Exchanger

(Rapid cooling)

Diversion Valve

To Filler

Funcionalidad I

Polisacáridos

Funcionalidad depende del MWHidrólisis ácida Poli-dispersidadComercialización en base a viscosidad

Goma Xantana (0,2%) + HPH Xantana (0,2%)

r=0.996

k-Carragenina (0,5%)

r=0.987

Alginato (0,3%)

r=0.987

Harte and Venegas. 2007. J. Food Eng. (submitted)

Funcionalidad II

•Estabilización de sabores y antimicrobianos

•Encapsulación

•Emulsificación

•Interacciones entre macromoléculas

Funcionalidad II

•El caso de los aceites vegetales

brominados (BVO)

•Emulsificación de aceites

Limonene encapsulation using HPH

and Arabic-sucrose-gelatin systems

Kaushik and Roos, 2007 LWT 40(8):1381-1391

Limonene encapsulation using HPH

and Arabic-sucrose-gelatin systems

HPH on methylcellulose as emulsifier

(×100) 20% oil/0.75% MC emulsions

Ultra-Turrax 100 MPa

250 MPa 350 MPa

Floury et al., 2003. J Food Eng 58(3): 227-238 Floury et al., 2003. J Food Eng 58(3): 227-238

Propiedades reológicas

Newtoniano

τ = Kγn

τ = μγ

HPH on methylcellulose as emulsifier

Emulsiones estabilizadas con proteínas de soja

Ultra-T (2% 11S)

Ultra-T (2% 11S +SDS)

50 MPa (2% 11S +SDS)

Floury et al., 2002. J Food Sci 67(9):3388-3395

20% aceite + 11S Globulin

Nano dispersiones de B-Carotene

Tan et al., 2005. Food Chem. 92(4):661-671

Funcionalidad III

Micela de caseína + HPH

Proteinas en la leche

MicelleProteins in milk (~3.6%)Casein pI~4.6 (~2.8%)

αs1 β αs2 κ

Whey protein pI<<4.6 (~0.8%)

β-Lg α-La BSA Other

The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)

Sub-micelles Model

Walstra, 1999. Casein submicelles: do they exist? Int Dairy J 9(3-6):189-193

Sub-micelle (β-; αs1-2-caseins)

Calcium phosphate

Hydrophobic interactions

Ionic solution (milk serum)

k-casein (amphiphilic)

~ 250 nm

Nano-gel modelSub-micelles Model

Holt et al., 1998. FEBS, 252(1):73-79

The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)

Block Copolymer

αs1-CN

αs2-CN

β-CN

κ-CN

~ 250 nm

Horne, 2006 Curr Opinions colloid & Interface Science, 11(2):148-152

Sub-micelles Model

The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)

FESEM

Dalgleish et al., 2004 Int. Dairy J. 14(12):1025-1031

TEM

Harte et al., 2003 J. Dairy Sci. 86:1074–1082

~ 250 nm

Sub-micelles Model

The Casein Micelle (CM)The Casein Micelle (CM)

Why High Pressure?Why High Pressure?

Raw milk

300 MPa

400 MPa

500 MPa

600 MPa

L ~ 60

L ~ 80

85 oC

Harte et al., 2003. J Dairy Sci, 86:1074-1082

L ~ 80

High Pressure?High Pressure?

High Pressure induced CM DissociationHigh Pressure induced CM Dissociation

Maximum MPa for current high pressure homogenization technology

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Abs

(500

nm

)

Roach, A., & Harte, F. 2007. Innov Food Sci Emerg. Techn doi:10.1016/j.ifset.2007.03.027

Results Results –– CM DissociationCM Dissociation Results Results –– CM DissociationCM Dissociation

Final System

Casein micelle

Hydrophobic Flavor /

Animicrobial

HYPOTHESISHYPOTHESIS

High Pressure Pump

(up to 350 Mpa)

Homogenizer Valve

High shear / velocity

HYPOTHESISHYPOTHESIS

Válvula del homogenizador

oC

MPa

DisociaciDisociacióón del micela de casen del micela de caseíína na Etanol Etanol – pH

EthanolpH

50%4.4

50%6.8

20%4.4

20%6.8

ETOH ETOH –– pH CM dissociationpH CM dissociation

pH

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

% E

than

ol

0

10

20

30

40

50

60

0.01 0.1 1 10 100 1000

Casein micelle diameter (μm)

ETOH ETOH – Temp CM dissociation

20 oC

40 oC

60 oC

80 oC

Ethanol (%)

L

Zadow , 1993. Aust J Dairy Tech, 48:78-81

Micelas de caseína

Triclosano

ETOH

Results Results –– EncapsulationEncapsulation

MPa0

100200300

Rotovapor

ETOH

200,000 xG

HPLC

Triclosano en Triclosano en sobrenadantessobrenadantes

P r e s s u r e ( M P a )

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

TCS

mg/

L

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

2 0 m g /L 8 0 m g /L 1 6 0 m g /L

Roach et al., 2007. Biomacromolecules, submitted

Encapsulación de Vitamina D en micelas de caseína

Semo et al., 2007. Food Hydrocolloids 21:936–942

CM + Hydroxypropyl CelluloseCM + Hydroxypropyl Cellulose

P re s s u re ( M P a )0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

Visc

osity

( m

Pa s

)

1

1 0

1 0 0

8 0 K D a3 7 0 K D a1 1 5 0 K D a

100 20 MPa 150 200 250 300

Micela de caseína y aceite

Creaming index = 100 * Volume of serum / Total Volume Vt

0 MPa

35 MPa

Wet-SEM, in collaboration with Dr Joy , Center for Nanophase Materials Science @ ORNL

San Martin-González et al., 2007, LWT, Submitted

Preguntas pendientes Cual es la Importancia relativa de los fenómenos físicos durante la homogenización (Presión vs. cizalla vs. impacto vs. turbulencia vs. cavitación)?Cinética de la de-polimerizaciónCapacidad de carga y mecanismos de entrega (delivery)Funcionalidad de complejos caseína-polisacárido

Hydroxypropyl-methyl celulosa , QuitosanoMétodos de microscopia electrónica para sistemas hidratados

Fluid TEM, Wet-SEM – contraste AFM

DesarrollosDesarrollos futuros?futuros?

Waterjet

Presión de trabajo ~400 MPa

Desarrollos futuros?Desarrollos futuros?

87,000 psi (~600 Mpa) HyperJet Pumps Now Available with Flow’s Waterjet (www.flowcorp.com)

“See the First System In Action at EMO, Hannover Germany, September 17 – 22, 2007

Homogeneizadores – 2009?

600

105

104

103

AgradecimientosAgradecimientos

Adrienne Roach (PhD)Aaron Hernandez (MS)Dr. Fernanda San MartinDr. Vyku Ganesan Dr. P M Davidson (U. Tennessee)Dr. Russell Rouseff (U. Florida)Dr. David Joy (Oak Ridge National Lab)

USDA-NRI-75.0CNMS-ORNL

Biopolímeros en Alimentos

Lana Zivanovic - http://web.utk.edu/~szivanov/

Carbohidratos

Federico Harte - http://web.utk.edu/~fede/

Proteínas

Qixin Zhong - http://web.utk.edu/~qzhong1/

Biofísicas

Montevideo Oct 8-10, 2007

Federico HarteFood Science and Technologyfede@utk.edu