27/01/2011

1

IMPREGNACION A VACIO: FUNDAMENTOS Y

APLICACIONES EN EL DESARROLLO DE ALIMENTOS

FUNCIONALES

Pedro Fito y Noelia BetoretDTA (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.

27/01/2011

2

La aplicación de vacío se aplicó en el pasado para:

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).( )

• A principio de los años 90 Barret (Barret et al., 1990) yJaveri (Javeri et al 1991) introducen el término de

Tratamientos a vacío: Primeras referencias 2

Javeri (Javeri et al., 1991) introducen el término devacuum infusion en el área de la ingeniería dealimentos.

• El término sigue utilizándose durante toda la décadade los 90, para hacer referencia a una operación detratamiento a vacío de frutas con solucionesenzimáticas (Robert and Wicker, 1996; Baker andWicker, 1996); la operación facilitaba el pelado def t l (R h d M h i 1994)frutas como la uva (Rouhana and Mannheim, 1994) olos cítricos (Pao et al., 1997).

• La incorporación de calcio en las disoluciones permitíamejorar la firmeza de frutas como los melocotones(Javeri et al., 1991) .

27/01/2011

3

Sin embargo no se aclaraban las razones del efecto del vacío en los procesos…

• El grupo de Valencia (Fito, 1992 & 1994) explica el efecto delvacío en productos porosos inmersos en un liquido, sometidos a

i d d hid t ió óti ( Goperaciones de deshidratación osmótica (manzanas GrannySmith).

• Las bajas presiones no justificaban los cambios observados enla cinética.

• Los gradientes de presión externa-interna, espontáneos oimpuestos, actuaban como fuerzas impulsoras para producirflujos hidrodinámicos.

• El gas atrapado en los poros se comprime o se expande alg p p p pmismo tiempo que la solución externa entra en los mismos.

• Este fenómeno fue definido como mecanismo hidrodinámico(Hydrodynamic mechanism: HDM) y su aplicación comoimpregnación a vacío (Vacuum Impregnation: VI)

HDM & VI• Es en los años 1990 a 1993 cuando (Mata 1990;

Pastor 1992; Fito et al. 1993), basándose enobservaciones experimentales, explican el efecto dela aplicación de presiones de vacío sobre la cinéticade la operación de deshidratación osmóticade la operación de deshidratación osmótica,describiendo un nuevo mecanismo de transporte: elhidrodinámico (HDM). Además sentaron las bases dela operación de impregnación a vacío (VI) quedescribirán de forma rigurosa en los añosposteriores (Fito, 1992, 1994a; Fito, 1994b; Fito &Pastor, 1994; Fito & Chiralt, 1995; Fito et al., 1996).Posteriormente Saurel Raoult y Rastogi realizanPosteriormente Saurel, Raoult y Rastogi realizanaportaciones importantes en relación a losmecanismos de transferencia de masa implicados enel proceso de deshidratación osmótica conaplicación de vacío (Saurel et al., 1994a; Saurel et al.,1994b; Raoult-Wack & Rios, 1994; Rastogi &Raghavarao, 1996).

27/01/2011

4

Vacuum Impregnation (or Vacuum Infusion)

• infusion• The act to adding sth to

sth else in order to

• Impregnate• To make a substance

spread through an make it stronger or more successful

• A drink or medicine made by soaking herbs, etc. in hot water

p garea (or volume) so that the area (or volume) is full of the substance (“the pad is impregnated with insecticide”)

• To make a woman orTo make a woman or female animal pregnant

Oxford dictionary, 6th ed. 2000

• En los últimos años los trabajos se hancentrado en:

L d i ió l t bl i i t d l

HDM-VI: desarrollo histórico

– La descripción y el establecimiento de lasbases de nuevas operaciones y/o procesos.

– Estudio de las operaciones y/o procesospropuestos y el análisis del efecto dediferentes variables.

– Análisis del efecto de las nuevas operacionesy/o procesos sobre las propiedades físico-químicas, estructurales y de calidad delproducto final.

27/01/2011

5

Hitos en el desarrollo histórico

• Descripción de la operación de infusión a vacío y análisisde algunas propiedades físicas de los alimentos enrelación a la aplicación de dicha operaciónrelación a la aplicación de dicha operación.

• Aplicación de la infusión a vacío en el pelado enzimáticode diferentes frutas.

• Efecto de la aplicación de vacío sobre la cinética de laoperación de deshidratación osmótica.

• Fundamentos de la operación de impregnación a vacío.• Mecanismos de transferencia de materia, modelo

matemático y metodología experimental para la operacióny g p p pde impregnación a vacío.

• La impregnación a vacío como operación básica de interésen el procesado de alimentos y en el desarrollo de nuevosproductos: aplicaciones.

• The model of this mechanism predicts the entry of an externalliquid in a porous product when any overpressure is applied in thesystem; nevertheless liquid will be released when the productreturns to normal pressure. The advantage of the HDM action aftera vacuum period in the system lies in the partial gas release

What the HDM & VI are? The model

p y p gthroughout this period while the mechanical equilibrium is beingachieved; the restoring of atmospheric pressure impliescompression only of the residual gas and flow into the pores of theexternal liquid. Therefore, the product remains filled with the liquidphase at normal pressure.

• From the HDM model it is possible to predict the amount of liquidthat can be introduced in a porous food with different aims:modifying the composition, introducing additives, salting, etc., andy g p g git is also possible to evaluate the effectiveness of a vacuumtreatment in expelling internal gas or liquid.

27/01/2011

6

Etapa 0pe=patmpi=pe+pc

Modelo en una matriz rígida

Operación de Impregnación a Vacío (IV)Operación de Impregnación a Vacío (IV)

•Fracción volumétrica del productoimpregnada por el liquido externo.

(Fito et al.,1992, 1994, 1996)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −≈⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

RrX ee

1111 εεEtapa 1pe=p1<patm

te=t1

1

2

pppr c+

=1

2

ppR =

•Fracción volumétrica impregnada

Etapa 2Pmo e=p2=patmte=t2pi=pe+pc

VI

pi=pe+pcFracción volumétrica impregnada

en una matriz viscoelástica.

( )1

1

−+−

=r

rXe

γγε

HDM & Fenómenos de transporte de materia

Hipótesis• la energía mecánica acumulada en la matriz del alimento durante el secado por las deformaciones… p• 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

27/01/2011

7

Modelo del HDM-VI para estructuras rígidas

4p σYoung Laplace equation

Dpc =Young-Laplace equation

0dtdxx

Dz32p v2

2

=μ

+Δ−c2

1c2v pp

pppx+−+

=

c2

cv pp

px+

=

Kinetics of bulk mass transport

(Fito, 1992; Fito and Pastor, 1994)

)R11()

r11(X ee −ε≈−ε=

1

2

ppR =Mechanical equilibrium

Niveles de impregnación según la presión aplicada

0,91

xv (c, 160) xv (c, 10)xv (r, 160) xv (r, 10)xv (R)

00,10,20,30,40,50,60,70,8

0 200 400 600 800 1000

xv

xv (R)

p (mbar)

Influence of vacuum pressure on the pore volume fractionimpregnated 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)

27/01/2011

8

• El modelo HDM se aplicó a productos con

HDM-VI Modelo para estructuras viscoelásticas

• El modelo HDM se aplicó a productos concomportamiento viscoelástico, en los que seacoplan fenómenos de transferencia de materia conotros de deformación relajación (DRP) (Fito andChiralt, 1996; Fito et al., 1996

Equilibrio mecánico:

1rr)X( 1

e −γ+γ−

=ε

Cinética del HDM-VI

)1x1x1(pp ve

2 −−

=Δ−Pressure-Impregnation relationship x1 v−

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

+−−−−=ro

rror

2ro

2r x1

x1lnxxk)xx(21

Bt

ve

vr x

xx =

Pressure Impregnation relationship

Kinetic equation

Reduced impregnation level

vex11k +=

2

p

12

12

2

reF

)pp(p8B ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−μ=

Equilibrium parameter Impregnation liquid viscosity, operation pressure,and structure characteristics parameter

27/01/2011

9

Tabla I.

VIn and physical properties VIn and enzymatic peeling VI and osmotic

dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer

VI, processes and new products

1990 (Barret et al., 1990) 1991 (Javeri et al., 1991)

Aplicaciones del HDM-IV

1991 (J ve e ., 99 )1992 (Fito, 1992) 1993 (Wei-Chi & Sastry, 1993) (Shi & Fito, 1993)

(Fito et al., 1993) 1994 (Moreira et al., 1994) (Soffer & Chaim, 1994) (Saurel et al., 1994a) (Fito, 1994a) patent

(Rouhana & Mannheim, 1994) (Saurel et al., 1994b) (Fito, 1994b) (Raoult-Wack & Rios, 1994) (Fito & Pastor, 1994) (Shi & Fito, 1994)

1995 (Fito & Chiralt, 1995) (Shi et al., 1995)

1996 (Baker & Wicker., 1996) (Rastogi & Raghavarao, 1996) (Fito et al., 1996) (Chiralt & Fito, 1996)

1997 (Pao et al., 1997a) (Andres et al., 1997)

(Pao et al., 1997b) (Martinez-Monzo et

al., 1997) (Pretel et al., 1997) (Guamis et al., 1997)

(Castro et al 1997) (Castro et al., 1997)

1998 (Pao & Petracek, 1998) (Del Valle et al.,

1998) (Barat et al., 1998) (Salvatori et al., 1998)

(Martinez-Monzo et

al., 1998a, b) (Sousa et al., 1998) (Nieto et al,. 1998)

1999 (Barat et al., 1999) (Chiralt et al.,

1999a, b) (Martin et al., 1999)

(Salvatori et al.,

1999a, b) (Gonzalez et al., 1999) (Tapia et al., 1999)

VIn and physical properties

VIn and enzymatic peeling

VI and osmotic dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer VI, processes and new products

2000 (Culver et al., 2000) (Escriche et al., 2000) (Martinez-Monzo et al., 2000) (Fito et al., 2000)

Aplicaciones del HDM-IV

( , ) (Fito & Chiralt, 2000) (Pavia et al., 2000a) (Pavia et al., 2000b) (Mastrangelo et al,. 2000)*

2001 (Prakash et al., 2001) (Roa et al., 2001) (Chafer et al., 2001a) (Barat et al., 2001c) (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 2001b) (Chafer et 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)

27/01/2011

10

Aplicaciones del HDM-IV

VIn and physical properties VIn and enzymatic peeling VI and osmotic

dehydration Fundamentals of VI VI and mass transfer

VI, processes and new products

2002 (Rastogi et al., 2002) (Gras et al., 2002) (Shi et al., 2002) (Gonzalez et al., 2002) (Barat et al., 2002) (Saurel et al., 2002) patent (Mujica-Paz et al., 2002)

2003 (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)

REFERENCES ORIGIN vs TIME

25

30

5

10

15

20

25

01990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

DTA America Latina North America Europe-Asia

27/01/2011

11

new operations or processes proposed

bases of new process proposed

study of process and effect of new process variables

changes in physicochemical properties of final

product (Chiralt et al 1999a)

Aplicaciones del HDM-IV

(Chiralt et al., 1999a)VI (Fito et al., 2001b)

VI and OD (Fito et al., 2001d) Salting by VI (Chiralt et al., 2001a)

Functional foods by VI (Fito et al., 2001c)

Foods

Cryoprotection by VI (Martinez-Monzo et al., 2001) (Fito & Chiralt, 2000) Plant tissues VI (Andres et al., 2001a)

(Gras et al., 2001) VI (Fito et al., 2001a) (Gras et al., 2002)

Vegetables Mineral fortification by VI

(Gras et al., 2003)

Salting by VI (Gonzalez et al., 2001) (Gonzalez et al., 2002) (Andres et al 1997)

Cheese and manchego type (Andres et al., 1997)manchego type

cheese Brining by VI (Chiralt & Fito, 1996) (Guamis et al., 1997)

Curd Brine VI (Chiralt et al., 1999b) (Gonzalez et al., 1999) (Rodriguez- Barona et al., 2001a) Cod salting and desalting by VI (Andres et al., 2001b) (Rodriguez- Barona et al., 2001b)

Tasajo Brine VI (Andujar et al., 2001) Salmon VI smoding (Buguenyo et al., 2001) (Bugueno et al., 2003)

ne operations or bases of ne process st d of process and effect of changes in ph sicochemical

Aplicaciones del HDM-IV

new operations or processes proposed

bases of new process proposed

study of process and effect of new process variables

changes in physicochemical properties of final product

VI (Fito et al., 2000) Candying by VI (Barat et al., 2001d) Fruits

probiotic fortification by VI (Betoret et al., 2003) VI (Salvatori et al., 1998)

(Martin et al., 1999) VI + AD + MW (Fito et al., 2001e) (Martin et al., 2001b)

(Martin et al., 2001a)

(Salvatori et al., 1999a) (Martinez-Monzo et al., 1997) (Salvatori et al., 1999b) (Martinez-Monzo et al., 2000) Vacuum osmotic dehydration

(Barat et al., 2001b) Cryoprotection by VI (Chiralt et al., 2001b) (Martinez-Monzo et al., 1998a)

Apple

VI with HM pectin (Martinez-Monzo et al., 1998b) vacuum osmotic dehydration (Castro et al., 1997)

(Barat et al., 2001a) Pineapple candying by VI

(Barat et al., 2002) Banana VI (Sousa et al., 1998)

Kiwi Vacuum Osmotic

dehydration (Escriche et al., 2000) (Chafer et al., 2001a) (Chafer et al., 2001b)

Orange and mandarin peel VI + OD

(Chafer et al., 2001d) (Chafer et al., 2001c)

27/01/2011

12

Aplicación del HDM-VI al desarrollo de alimentos frescos funcionales(Functional Foods Development)

INTRODUCCIÓN

MEJORAS EN LAS TÉCNICAS DE CULTIVO O CRÍA

INGENIERÍA GENÉTICA

CAMBIOS BIOLÓGICOS

METODOLOGÍAS

INGENIERÍA DE MATRICES

FORMULACIÓN DE ALIMENTOS

METODOLOGÍAS DISPONIBLES

PARA LA FABRICACIÓN DE ALIMENTOS ENRIQUECIDOS

MATRICESALIMENTOS

CAMBIOS TECNOLÓGICOS

OBTENER PRODUCTOS CUYAS CARACTERÍSTICAS RESPONDAN MÁS ADECUADAMENTE A LAS

EXIGENCIAS DEL PRODUCTOR O CONSUMIDOR

27/01/2011

13

Mejoras en las técnicas de cultivo o cría.

Potencialidad limitada, pero en algún caso hanpermitido de una forma rápida y relativamentep p ysencilla producir alimentos tradicionales concaracterísticas mejoradas.Ejemplo: Sistema controlado de alimentación depollos (producto Biotene, US patent 5246717, 1993).

contenido mas bajo en colesterol y en grasas saturadas.aumentan su concentración en ácidos grasos Omega-3, envitamina E y en yodo.

La empresa vendió en 1998 mas de 300 millones dehuevos.

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

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.

de un alimento para producir y controlar cambios que mejoren alguna de sus propiedades funcionales o sensoriales (Fito et al, JFE 2001)

Formación de estructuras coloidales,

la extrusión,

la fritura,

el horneado,

el hinchado, etc.

Técnicas combinadas de deshidratación : (deshidratación osmótica, secado a vacío, aplicación de microondas, radiación infrarroja, etc),

La Impregnación a Vacío,

El recubrimiento con películas comestibles

27/01/2011

14

Parénquima de berenjena (Cryo-SEM).

Micelio de champiñón (Cryo-SEM).

27/01/2011

15

Seta de cardo(Pleorotus ostreatus).ostreatus).

Alimentos estructurados

UTILIZACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE INGENIERÍA DE MATRICES EN LA OBTENCIÓN DE ALIMENTOS FUNCIONALES

INTRODUCCIÓN

..

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

Nuevos alimentos funcionales

2º Técnicas que generan productos estructurados estables y les imparten características deseables

-- componentes liposolubles

27/01/2011

16

MODELO MATEMÁTICO DE LA OPERACIÓN Y ENSAYOS

PRELIMINARES

Referencias bibliográficas o resultados experimentales:X: fracción volumétrica de muestra impregnada con líquidoγ1 la deformación de la muestra durante la etapa de vacío en un experimento de IV

FRUTA U HORTALIZA QUESE DESEA ENRIQUECER

ELEMENTO MINERAL QUE SE DESEA APORTAR

Información comercial:Sal mineral; solubilidadRiqueza mineralC: concentración del elemento mineral en la disolución de impregnación

RESULTADOS I. Modelo matemático

γ: deformación volumétrica de la muestraρS (kg/m3): densidad de la fruta u hortaliza fresca

ECUACIÓN DE MODELO DEL HDM ACTUANDO EN UN PROCESO DE IV

Modelo rígido:

Modelo del HDM acoplado con fenómenosde deformación-relajación:

)r11(X e −ε=

1e r)X()1r( γ+γ−=−ε

CANTIDAD DE MINERAL INCORPORADO (kg mineral/kg

producto enriquecido)

pf

ml

pf

mlml

piX1

Xxx

ρρ

+

ρρ

=

CANTIDAD DE FRUTA U HORTALIZA QUEGRUPO 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)

pipi x

CDRm =

27/01/2011

17

Porosidad mínima requerida para desarrollar productos enriquecidos con propiedades específicas

RESULTADOS I. Modelo matemático

Frutas y hortalizas con posibilidades de ser enriquecidas

175,9 6,4

0,79,1

2,2 3,7 3,4 2 6

21 25

64,1

4,313,716,9

35,9

16,1

0102030405060

zana

ango

fresa kiw

ico

tón

oque

piña

pera

ruel

am

elón

ranj

api

elnj

ena

acha

horia

bací

npi

ñón

ta d

e

poro

sida

d ef

icaz

(%)

4,66%

man m

a f

mel

ocal

baric

o

ci mpi

el n

a

bere

nre

mol

aza

nah

cala

bch

amp

set

No es factible el enriquecimiento en calcio en las cantidades especificadasutilizando 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