Tecnología de Altas Presiones Hidrostáticas

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Mercedes Gómez García Máster en Agroalimentación

2010/2011

Tecnología de Altas Presiones 

Hidrostáticas  

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ÍNDICE 

  Introducción………...…………………………………..……3   Antecedentes históricos.……………………………..……4   Tecnología de Altas Presiones (AP)…..…………..……..5   Descripción de un Sistema de Alta Presión...………….6   Aplicaciones……….………………....……………………...8   Efectos de las AP sobre los alimentos………....….……9    Efectos de las AP sobre los microorganismos………11  Calidad sensorial de los alimentos presurizado…......14   Bibliografía………………………………………………….15  

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  Introducción 

La creciente demanda por parte de los consumidores de alimentos

procesados saludables ha llevado a los investigadores a una mejoracontinua de las tecnologías convencionales y al desarrollo de nuevasalternativas en el procesado de alimentos.

El fin de estos esfuerzos es laproducción de alimentos más segurosque mantengan su calidad sensorial ynutricional, lo cual no es posible

mediante las tecnologías convencionales. Elprocesado térmico causa cambios indeseables en losalimentos, mientras que las técnicas de procesado

mínimo no eliminan muchos de los microorganismospatógenos.

Con el procesado de los alimentos por altapresión se consigue una reducción demicroorganismos alterantes y patógenos, mejorandola calidad sanitaria y prolongando así su vida útil. Portanto, la principal ventaja de este tipo de tratamiento,a diferencia de los tratamientos térmicos, es laobtención de productos seguros con característicassimilares a las del producto fresco ya que, como la

técnica puede aplicarse a temperatura ambiente, los productos procesadospermanecen básicamente inalterados en cuanto a su sabor, olor, color y textura,conservando los parámetros de calidad del producto inicia.

En cuanto a las limitaciones que presenta laaplicación de altas presiones en alimentos cabedestacar la posible resistencia de bacterias oesporas que, aunque dañadas, puedanpermanecer en el alimento. Para evitar surecuperación o proliferación complementamosesta técnica con conservación en frío o con el pHácido que pueda presentar el alimento,consiguiendo un producto mínimamenteprocesados, con mejores característicasorganolépticas y funcionales y con unaconservación más extendida en el tiempo.

 

 

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  Antecedentes históricos 

El estudio de los efectos de las altas presiones en el

área de los alimentos se establece desde el siglo XIX. Suutilidad en la conservación de alimentos fue señalada por elequipo de Bert H. Hite a partir de los estudios iniciados en elaño 1899 sobre los efectos de las altas presiones en laconservación de leche, algunos productos cárnicos, zumosde frutas, frutas y verduras.

Durante mucho tiempo, los problemas técnicosderivados de la manipulación a tan elevadas presionessupusieron un freno para el desarrollo de esta técnica, perogracias a los avances en la utilización de la técnica de altas

presiones en la industria cerámica y metalúrgica realizadosdurante los años setenta y ochenta se abrió la posibilidad de tratar alimentos poreste método a escala industrial.

El mayor crecimiento de las investigaciones de altaspresiones se dio en Estados Unidos en 1982 en la Universidad deDelaware. En 1986, Japón presentó gran interés en dichatecnología y en abril de 1990 surge el primer productopresurizado a la venta. La compañía japonesa Meidi-ya Food Co.Introduce al mercado mermelada de fresa, frambuesa, manzanay kiwi, las cuales fueron esterilizadas únicamente con el uso de

altas presiones. Esta iniciativa fue seguida por la comercialización de otros

productos, avalada por el interés creciente de los consumidores,que valoran las características organolépticas de los productos tratados por presión,ya que los asocian con productos naturales y con muy poca transformación.

A finales de 1995 ya eran siete las compañías quecomercializaban productos (mermeladas, zumos de frutas,salsas, vino de arroz, pastel de arroz) tratados por altaspresiones. En 1998, una industria de Estados Unidos inicióla comercialización de ensalada de aguacate tratado poraltas presiones, mientras que, en Europa, Francia y Españatambién lanzan al mercado productos tratados por estatécnica.

En España, la producción industrial de jamón cocido loncheado tratado por altaspresiones la inició la firma Espuña en 1998 seguida de Campofrío en 2002

Utilizando el tratamiento de alta presión se obtienen productos cuyas vitaminas,así como los sabores, aromas y colores naturales se conservan casi intactos. El

alimento, a pesar de haber sido procesado, es muy parecido al natural, y es justamente eso lo que los consumidores prefieren.

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  Tecnología de Altas Presiones (AP) 

Se entiende por altas presiones la tecnología con la que se tratan los materiales

a presiones entre los 100 y 1.000 MPa. Puesto que el medio utilizado para transmitirla presión suele ser agua, el tratamiento de AP también suele llamarse altaspresiones hidrostáticas (APH).

La presión aplicada se transmite demanera isostática (uniforme) y casiinstantánea a todos los puntos delalimento, independientemente de sucomposición, tamaño y forma (Ley dePascal). Ello evita la deformación delproducto, a pesar de estar sometido a tan

altas presiones, y hace que éste sea muyhomogéneo y no presente zonassobretratadas, ya que no se produce ungradiente de presión. Una vez presurizado, no es necesario aportar más energíapara mantener el sistema a esta presión, ya que no se producen pérdidas.

El comportamiento de los sistemas bioquímicos bajopresión está gobernado también por el principio de LeChatelier, que postula que la aplicación de presión desvíael equilibrio de un proceso hacia el estado que ocupemenor volumen, y acelera aquellos procesos en los que el

estado de transición presenta un volumen menor que elestado inicial. Es decir, la presión favorece los procesosque van acompañados de cambios de volumen negativo yretarda aquellos en los que el volumen aumenta. El objeto

sometido a altas presiones recupera su forma inicial, solo se modifica la entropía delsistema.

La alta presión hidrostática es uno de losmétodos de conservación alternativo másviables desde el punto de vista comercial.Debido a que las AP se utilizan para mejorarla calidad microbiológica y las característicasfisicoquímicas y sensoriales, se debenseleccionar las condiciones de tratamientomás adecuadas, en función del objetivoprioritario. Las investigaciones realizadas handemostrado que la mayoría de aplicaciones comerciales de la AP que interesan en laindustria alimentaria se pueden conseguir por presiones en el rango 400-600 MPa, atemperaturas de entre 5 y 90 ºC y tiempos del orden de los 10-30 min.

La técnica de altas presiones se puede aplicar directamente a alimentos líquidos

o sobre cualquier producto envasado en recipientes flexibles o ligeramentesemirrígidos y sumergido en el fluido de presurización (baja compresibilidad).

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  Descripción de un Sistema de Alta Presión 

Un sistema de alta presión

industrial (figura 1) consta básicamentede una cámara de presión y su sistemade cierre, un sistema de generación depresión, un sistema de control detemperatura y un sistema demanipulación del producto, que puedeestar más o menos automatizado.

  Cámara de presión ysistema de cierre.

La cámara de presión es el componente más importante de un equipo dealta presión. En muchos casos, es un cilindro construido con una aleación deaceros. Generalmente, el uso de estas cámaras está limitado a presiones detrabajo entre 400 y 600 MPa. En el caso que sean necesarias presiones máselevadas se utilizan recintos multicapa, cuya complejidad de fabricación, y portanto, su coste, son mayores.

Los sistemas de cierre se diseñan dependiendo de la aplicación: en el casode aplicaciones con alimentos se utilizan los sistemas interrumpidos con rosca,de apertura y cierre rápidos, ideales cuando interesa aumentar la productividaddel equipo, mientras que los sistemas de cierre continuo, más lentos yeconómicos, se utilizan en aplicaciones donde los tiempos de apertura y cierreson de poca importancia comparados con la duración total del ciclo.

  Sistema de generación de presión.

Cuando la cámara es cargada con el alimento que se quiere trata, se cierra yse llena con el medio de transmisión de presión. En la mayoría de aplicacionesde presión isostática, el medio transmisor de la presión es simplemente agua

potable, con un pequeño porcentaje de aceite soluble para lubricar las bombasy evitar la corrosión.

La alta presión se puede producir por diferentes métodos:

1.- Compresión directa, que es generada por la presurización del medio depresión sobre la parte final de un pistón. Una bomba de alta presión impulsa elfluido transmisor de ésta desde un depósito hacia el interior del recipiente depresurización hasta alcanzar la presión deseada.

2.- Compresión indirecta, que utiliza un intensificador de alta presión para

bombear el medio de presión desde un depósito hasta la cámara de presióncerrada, hasta que se consigue la presión deseada.

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3.- Calentamiento de medio de presión, que utiliza la expansión del medio depresión mediante el aumento de temperatura para generar alta presión.

  Sistema de control de temperatura.

La compresión del agua conduce a un aumento de temperatura (2-3°C porcada 100 MPa) que depende de la temperatura inicial del agua y de lavelocidad de compresión. Este cambio es reversible al realizarse ladescompresión ya que causa un descenso en la temperatura del mismo ordende magnitud.

Existen aplicaciones de la alta presión que requieren temperaturas distintasa la ambiente, por lo que es necesario incorporar a los equipos sistemas deregulación de la misma. Estos sistemas pueden ser externos, empleando unacamisa por la que circula el medio refrigerante o calefactor, o internos,mediante circulación del medio de calentamiento o de refrigeración a través delcierre superior o inferior del cilindro, de manera que éstos se transforman enintercambiadores de calor internos.

Figura 1.- Equipo de Altas Presiones Hidrostáticas.

El tratamiento por altas presiones se organiza por lotes. El desarrollo de latecnología actual no permite el paso de los alimentos envasados, o incluso a granel,de la presión atmosférica una presión de cientos de MPa de forma continua. Aún asíse consiguen producciones de varias toneladas por hora.

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  Aplicaciones 

El principal atractivo de esta tecnología reside en que, al poder realizar el

tratamiento a temperatura ambiente se conservan los parámetros de calidad delproducto original. Inicialmente su principal ventaja residía en que podía utilizarsecomo un sustituto parcial o total del tratamiento térmico, cuando el objetivo era ladestrucción microbiana, sin alterar el aroma, el sabor o el color de los alimentos, porello es probablemente la tecnología más desarrollada comercialmente. Diversasinvestigaciones han puesto en evidencia su enorme potencial en la elaboración dediversos productos. Como sistema de conservación, se obtienen resultadosequivalentes a una pasteurización térmica.

Las aplicaciones de la alta presión van más allá de la inactivación demicroorganismos, dependiendo de las combinaciones de presión, temperatura y

tiempo que se utilicen. Paralelamente al objetivo de reducir la carga microbianainicial, las materias primas también pueden ser tratadas con el fin de conservar omejorar su funcionalidad para la posterior elaboración de derivados: el tratamientode arroz para la producción de sake aumenta su susceptibilidad a la acción de laamilasa y se mejoran las propiedades emulsificantes de soluciones de proteínas.

Asimismo, el efecto de la alta presión sobre las propiedadesfísicas de los alimentos puede conducir a la obtención denuevos productos. Por ejemplo, se consigue la gelificación atemperatura ambiente de distintas soluciones o dispersiones deproteínas alimentarias (miosina, soja, surimi, yema y clara de

huevo, proteínas séricas) y se observa que los geles obtenidospor alta presión suelen presentar características distintas a losobtenidos por temperatura. También se ha observado que suaplicación contribuye a la tenderización de la carne.

Las aplicaciones de la alta presión no quedan limitadas a la zona detemperaturas moderadas o bajas, ya que se han propuesto tratamientos combinadosa temperaturas entre 60 y 80°C para la destrucción de esporas, que presentan una

elevada resistencia a la alta presión.

En alimentos vegetales, además de laconservación de zumos de fruta ymermeladas, se ha estudiado la utilizaciónde las altas presiones para el escaldado,mejorando la calidad de los productos yreduciendo las pérdidas de nutrientes y lacontaminación ambiental. Se hacomprobado que el tratamiento tiene pocoefecto sobre la textura final del producto enzanahorias, patatas y judías verdes, siendolos escaldados por alta presión los que más

se acercan a la textura del productooriginal.

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  Efectos de las AP sobre los alimentos 

Algunos de los cambios originados en los alimentos por la presión son similares

a los producidos por calor; en cambio, otros son significativamente diferentes. Entrelos componentes de alimentos afectados por el tratamiento con AP se encuentran:

  Agua

Los efectos de las altas presiones sobre el agua sonde gran interés ya que, además de ser uno de loscomponentes principales en la mayoría de los alimentos,constituye el medio utilizado para transmitir la presión.Algunas de las propiedades del agua se ven modificadascon la presurización.

Se produce un aumento de la disociación iónica del agua por la presión,disminuyendo el pH e incrementando la posibilidad de desnaturalización deproteínas e inactivación microbiana en los alimentos.

  Hidratos de carbono

Diversos estudios afirman que los azúcares simples no resultan afectados poreste tratamiento. Las reacciones de condensación de Maillard son inhibidas por laaplicación de la alta presión entre 50 y 200 MPa. En consecuencia el desarrollo delsabor y del color típico de esta reacción no se producen.

La alta presión afecta a la transición sol-gel de los polisacáridos, formándosegeles diferentes a los obtenidos por aplicación de calor. En cuanto al almidón, seconoce que la presión afecta a su susceptibilidad al ataque de la amilasa y quegelatiniza bajo presión a temperaturas más bajas de las habituales.

  Lípidos

Los lípidos bajo presión tienden a cristalizar, aumentando el punto de fusión (en

especial de los triglicéridos y de forma reversible) en unos 10-15 ºC por cada 100MPa. Los fosfolípidos de la membrana celular también cristalizan bajo presión.

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Por otro lado, el tratamiento de AP puede producirun aumento de la oxidación de los lípidos insaturadosdel alimento. Se ha observado que el tratamiento de APen alimentos de alto contenido proteico, como carnes y

pescados, producen un incremento de la oxidaciónlipídica. Se cree que este aumento de la oxidaciónpuede estar relacionado con la desnaturalización deproteínas causada por presión, ya que quedan libresiones metálicos que catalizan la oxidación lipídica.

  Proteínas

Las interacciones hidrofóbicas, que juegan un rol sustancial en la estabilizaciónde la estructura terciaria de las proteínas y en las interacciones proteína-proteína, sedesestabilizan por alta presión, lo que explica el hecho de que las proteínasoligoméricas sean muy sensibles a la AP y se disocien a presión menor a 200 MPa.

En general, los efectos de la presión sobre la estructura terciaria y cuaternaria delas proteínas son reversibles, pero después de la descompresión, el replegamientode la proteína puede llegar a ser muy lento y se observan comportamientos dehistéresis y derivas conformacionales antes de alcanzar de nuevo el estado nativo.

Podemos observar efectos sobre la estructura secundaria a presiones a partirde 300 MPa, que son debidos a cambios conformacionales, sobretodo en laestructura a-hélice. La desnaturalización debida a cambios en la estructura

secundaria suele ser irreversible, dependiendo del grado de compresión, de lacomposición del medio y de si se producen modificaciones químicas que puedenconducir a la formación de geles diferentes de los que se obtienen aumentando latemperatura.

  Enzimas

Los posibles efectos de la alta presión sobre los enzimas van desde cambios enla velocidad de las reacciones que éstos catalizan, hasta cambios conformacionalesen el enzima o su disociación en subunidades, que pueden afectar a la relaciónenzima-sustrato.

Las altas presiones pueden modificar tanto la estructura de las enzimas y, portanto, su actividad, como el sustrato que, transformado, puede influir de formapositiva o negativa sobre la actividad de la enzima. En algunos equipos de presiónespecíficos, se pueden realizar y controlar algunas reacciones enzimáticas y mejorarnotablemente sus rendimientos.

  Vitaminas

En general, se afirma que las vitaminas no se ven afectadas por el tratamientode AP, a pesar de que resulta difícil encontrar estudios que confirmen este dato. Seha observado, por ejemplo, que el contenido en vitamina C de zumos de cítricos nose ve afectado por el tratamiento.

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  Efectos de las AP sobre los microorganismos 

  Células vegetativas.

La resistencia de los microorganismos a la presión es muy variable. Algunosestudios revelan que las bacterias Gram positivas son más resistentes que las Grannegativas. Los hongos y las levaduras son muy sensibles, mientras que las esporasbacterianas son muy resistentes y pueden sobrevivir a presiones de 1000 MPa.

Las altas presiones inducen cambios de tipo morfológico, bioquímico y genéticoque, tiene lugar en la membrana y la pared celular de los microorganismos. Además,provoca cambios en el funcionamiento de enzimas esenciales para el crecimiento yreproducción de los microorganismos.

A pesar del gran número de estudios relativos al efecto de la presión sobre lamicroestructura, el metabolismo y el mecanismo genético de los microorganismos,las causas de la inactivación microbiana todavía no son del todo comprendidas.

  Alteraciones morfológicas.

La morfología celular se puede ver afectada por las altas presiones. Lasvacuolas gaseosas se comprimen: se produce también un alargamiento de la célula,la separación de la membrana citoplasmática y la pared celular con formación deporos, la formación de filamentos, aclaramiento de zonas en las estructurasreticulares del citoplasma, disminución en el número de ribosomas, modificación delnúcleo y orgánulos intracelulares, la coagulación de las proteínas citoplasmáticas, laliberación de constituyentes intracelulares hacia el exterior de la célula, etc.

  Alteraciones de los mecanismos genéticos

La estructura helicoidal del ADN es, en gran parte, el resultado de enlaces dehidrógeno. Como la presión favorece los enlaces de hidrógeno, las moléculas deADN son más estables a la presión que las proteínas, mientras que temperaturaselevadas provocan una desnaturalización de las moléculas de ADN. No se observadesnaturalización del ADN cuando se somete a AP. En cambio, la transcripción yreplicación del ADN se detiene cuando se somete a AP, debido a la inactivación deenzimas clave para este proceso. La transcripción del ARN y la traducción enproteínas son sensibles a la presión. Este hecho explica, en parte, la ausencia decrecimiento microbiano bajo el efecto de la AP.

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  Alteraciones de la membrana celular 

Las altas presiones desnaturalizan las proteínas y reducen el tamaño de losfosfolípidos de la membrana celular. La desnaturalización de las proteínas inhibe la

captación de aminoácidos esenciales para el crecimiento celular. La AP aumenta lapermeabilidad de la membrana celular y los contenidos de la célula se liberan fuerade ésta, rompiendo el funcionamiento de la célula. Si la presión aplicada esrelativamente baja, la célula recupera la permeabilidad original. La destrucción de lapared es irreversible cuando la presión aplicada es relativamente alta y provoca lainactivación celular.

La temperatura de fusión delos lípidos aumenta en más de10 ºC de forma irreversible a100 MPa. Ello implica que loslípidos puedan cristalizar bajopresión. Los cambios producidosen la permeabilidad de lamembrana celular debidos a lacristalización de los fosfolípidostambién puede ser unaexplicación a la inactivación demicroorganismos.

Probablemente, la alteración de la membrana celular sea la principal causa de la

aparición de microorganismos estresados después del tratamiento de alta presión.Este fenómeno es el causante de que las células supervivientes no puedan creceren medio selectivo y necesiten un período de recuperación.

  Alteración de la actividad enzimática

Varios sistemas enzimáticos de las células microbianas son inhibidos oactivados mediante la aplicación de presión. La inactividad de enzimas tiene lugar

como resultado de la alteración de lasestructuras intramoleculares o cambios

conformacionales en los puntos activos.La reactividad después de ladescompresión depende del grado dedistorsión de la molécula. La posibilidadde reactividad disminuye con un aumentode la presión por encima de 300 MPa.

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  Inactivación de esporas

Una de las operaciones más difíciles en la conservación de alimentos es lainactivación de esporas de microorganismos. Las formas esporuladas son más

resistentes a la presión que las células vegetativas, que se inactivan a presionesmoderadas y pueden sobrevivir a presiones de hasta 1000 MPa.

La inactivación de esporas de los microorganismos parece actuar en dos fases. En unaprimera etapa baja presión (del orden de 50-200 MPa) se consigue la geminación de laespora. Posteriormente, si la presión y/o temperatura es suficientemente alta, se puedeinactivar la espora germinada, ahora sensible a la presión. Las células vegetativasprocedentes de esporas germinadas son mucho más sensibles a la presión y/o al calor. Aúnasí, existe una significativa proporción deesporas iniciales que pueden permanecer enuna latencia extrema y que no germinan, la

germinación depende de diferentesparámetros interrelacionados (tipo deespora, presión, temperatura, pH, presenciade nutrientes, etc.). 

En el caso de los alimentos de bajaacidez, la combinación de altaspresiones y temperatura parece ser lasolución más adecuada siempre ycuando la combinación de ambastecnologías a dosis relativamente bajas

diera lugar a un efecto sinérgico sobre la inactivación microbiana con el mínimodeterioro de la calidad organoléptica del producto. De este modo se obtendríanalimentos estables a temperatura ambiente. En este sentido, la esterilización conaltas presiones se puede conseguir a través de la aplicación de una gran diversidadde tratamientos, seleccionando adecuadamente la presión, temperatura y tiempo detratamiento, y utilizando el aumento de temperatura del producto debido alcalentamiento adiabático.

La esterilización de alimentos y bebidas mediante AP y temperaturas moderadas(70-90ºC) resulta interesante para aumentar la calidad sensorial de productostermosensibles (té, café, extractos aromáticos, diversos vegetales y productoscárnicos, platos preparados). Pero la aceptación de este proceso no se produciráhasta que la seguridad microbiológica no está claramente demostrada.

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  Calidad sensorial de los alimentos presurizados 

La APH modifica las características organolépticas de los alimentos. Casi en

todos los casos actúa mejorándolas. Los zumos de cítricos, después del tratamientoa AP conservan su sabor fresco, no poseen el sabor amargo que les confiere ellimonelo generado por tratamiento térmico, no pierden de la vitamina C y presentanuna vida útil de 17 meses. Algunas frutas tratadas por APH, además de permanecerestériles hasta años, adquieren una textura más blanda y se vuelven mástransparentes y dulces. Sin embargo, en otros casos, se produce un oscurecimientorápido de la fruta después del tratamiento por AP debido a que se incrementa laactividad de la polifenoloxidasa.

En cuanto al efecto de APH sobre la textura, sehan observado efectos contrarios. Por un lado, los

tejidos de la carne y filetes de pescado en pre-rigormortis, tratados con APH se ablandan y se vuelvenopacos. La carne fresca se ablanda en solo 10 minutosy además se incrementa la digestibilidad de susproteínas, mientras que a presión atmosférica senecesitan dos semanas para su ablandamiento. Porotro lado, la estructura interna del tomate se endurececon la presurización.

Presiones por encima de los 400 MPa se produce la gelatinización del almidón,debido al incremento de densidad. La alteración de la estructura del almidón y de la

proteína aplicando altas presiones podría ser utilizada en el arroz para cocerlo enpocos minutos. Los huevos sometidos a altas presiones no tienen el sabor y el olorsulfuroso característico provocado por el calentamiento. El calor produce laformación de lisinoalanina, promotora de estas características. Además lalisinoalanina limita la asimilación de aminoácidos en el cuerpo humano.

La APH impide el incremento en la acidez del yogur a que evita la reproducciónde las bacterias lácticas. También retardan las reacciones de fermentación, así, laleche puede mantenerse hasta 16 días. Inhibe las reacciones de condensación queinician el oscurecimiento no enzimático conocida como reacción de Maillard. Esteefecto puede ser beneficioso o no, dependiendo del alimento presurizado.

Las altas presiones representan una tecnología de procesamiento potencial paralos alimentos marinos con los que se fabrica surimi. La gelificación del surimimediante la APH se atribuye a un incremento de los enlaces cruzados de lascadenas de miosina en el músculo del pescado.

Aunque las características sensoriales de los alimentos en la mayoría de loscasos mejoran o no sufren modificaciones con la APH, en otros sí se alteran yalgunas veces de forma indeseable. La influencia de la APH en las característicasorganolépticas de los alimentos depende del tipo de alimento y de las condiciones

de presurización y no se puede generalizar, hay que estudiar cada caso en particularantes de plantearse la comercialización de un producto alimenticio presurizado.

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  Bibliografía 

www.directoalpaladar.com 

www.navactiva.como 

www.edicionsupc.es 

www.edicionsupc.es 

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/hernandez_g_il/capitulo3.pdf

“TRATADO DE NUTRICIÓN. 2a ed. Tomo II: Composición y CalidadNutritiva de los Alimentos. Ángel Gil. Coordinadora: M. D. Ruiz.

INDUSTRIA ALIMENTARIA. TECNOLOGÍAS EMERGENTES. MercèRaventós Santamaría. Edicions UPC.